книги из ГПНТБ / Котвицкий, А. Д. Сварка в среде защитных газов учебное пособие

выше. Алюминий, добавленный к жидкой стали, соединя­ ется с растворенным в ней азотом, переводит его в твер­ дый раствор в виде азотистого алюминия и не дает ему выделиться.

Азот оказывает значительное влияние на свойства же­ лезохромистых сплавов, действуя подобно углероду. Эти сплавы энергично поглощают азот в расплавленном со­ стоянии, но так как он способствует измельчению зерна в литом состоянии, то при этом повышается вязкость ста­ ли, улучшается обрабатываемость такой стали (типа Х18Н9Т) на станках. Увеличение содержания азота до 0,04 — 0,06% в сварных швах, выполненных дуговой свар­ кой, способствует получению более мелкой структуры и повышает прочность сварного шва на стали Х18Н9Т, не снижая пластичности и коррозионной стойкости.

Измельчение зерна в хромоникелевых сплавах проис­ ходит в меньшей степени, чем в железохромистых спла­ вах.

В высоколегированной аустенитной хромоникелевой стали Х25Н12 при содержании в ней азота около 0,25% и концентрации углерода в несколько большем количест­ ве, чем 0,1%, азот выделяется в виде нитридной или карбонитридной пластинчатой фазы при медленном охлажде­ нии с 1200—900° С. При быстром охлаждении с 1200° С азот сохраняется в твердом растворе и структура стали остается аустенитной. Твердость такой стали после накле­ па и последующего нагрева выше твердости стали, содер­ жащей азот.

Вводить в сталь аустенитного класса азот и титан вместе через присадочную проволоку нельзя, так как обра­ зуется при этом нитрид титана, который не растворяется ни в феррите, ни в аустените и находится в стали в виде неметаллических включений. Нитрид титана представ­ ляет собой более прочное соединение, чем карбид титана. Титан и азот в стали не устраняют опасности межкристаллитной коррозии. Влияние азота на свойства нержа­ веющих сплавов в основном следующее:

азот соединяется с рядом элементов. В меньшей сте­ пени он адсорбируется железом и в большей степени хро­ мом, марганцем, кремнием и алюминием. Обязательным условием адсорбции азота металлом является наличие атомарного азота;

разные сплавы в соответствии с концентрацией леги­ рующих элементов в различной степени адсорбирует азот,

действие которого также находится в зависимости от кон­ центрации легирующих элементов в сплаве. В сплавах с содержанием хрома до 18%. а никеля 8% азот измельчает литую структуру и не ухудшает свойств сплава; в сплавах с содержанием хрома 25% и никеля 12%. содержащих азот в количестве 0,25%, при медленном охлаждении вы­ деляется пластинчатая нитридная или карбонитридная со­ ставляющая. Твердость такой стали после наклепа и по­ следующего нагрева повышается;

введение в сталь одновременно’ азота и титана умень­ шает стабилизирующее действие этих элементов. Сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии; с ниобием азот образует нитрид значительно менее

прочный, чем нитрид титана; нитрид вольфрама получается при воздействии азота

(атомарного) на металлический вольфрам при высокой температуре (2500° К ).

В процессе сварки неплавящимся электродом проис­ ходит сильное кипение сварочной ванны и оплавление вольфрамового электрода. В шве появляется' пористость. Соединения вольфрама с азотом (WN2H W2N2— нитрид и дивольфрамид) характеризуются малой стойкостью. Образуясь при высокой температуре, эти соединения вско­ ре распадаются. Это вынуждает применять вместо вольф­ рамового электрода другой тугоплавкий электрод — угольный.

При использовании угольного электрода дуга перемен­ ного тока при питании от источника тока напряжением холостого хода 65—70 В горит крайне неустойчиво. По­ этому источник питания при азотно-дуговой сварке на пе­ ременном токе должен иметь напряжение холостого хо­ да не ниже 100 В при наложении высокочастотного тока от осциллятора.

При сварке в азоте на постоянном токе прямой поляр­ ности угольным электродом процесс протекает вполне удовлетворительно. Дуга горит устойчиво, если кислорода в азоте не более 0,6%. При более высоком содержании кислорода дуга горит неустойчиво, а режим ее горения не­ прерывно изменяется.

В связи с большим расходом угольного электрода схе­ ма обратной полярности для сварки в среде азота непри­ годна.

При сварке угольным электродом в среде азота сварной шов науглероживается. Концы угольных электро­

162

дов перед сваркой затачивают «под карандаш». В про­ цессе сварки конец электрода укорачивается, но форма его заметно не меняется. Оптимальный расход азота ус­ танавливается при постоянной силе тока 80 А. С увеличе­ нием расхода азота, содержащего 0,05% кислорода, до

4л/мин расход угольного электрода’ уменьшается.

Сувеличением расхода азота от 1 до 4 л/мин снижа­ ется пористость шва. При расходе 4 л/мин кислород в зо­ не сварки практически отсутствует, не происходит окис­

ления электрода с образованием углекислого газа, кото­ рый вызывает пористость в швах.

Дальнейшее увеличение расхода азота не изменяет предела прочности металла шва.

Увеличение концентрации азота заметно сказывается на механических свойствах металла сварных швов лишь в стали Х25Н20.

Пластичность металла шва при азотно-дуговой сварке стали Х18Н9Т уступает лишь пластичности соединения, выполненного атомно-водородной сваркой, и всего на 4% ниже пластичности соединения, выполненного аргоно­ дуговой.

Увеличение концентрации азота при многослойной на­ плавке, а также при однопроходной сварке стали почти не влияет на механические свойства наплавленного ме­ талла. По сравнению с основным металлом наплавленный металл обладает:

более низким коэффициентом относительно сужения, более высоким пределом текучести, одинаковыми преде­ лами прочности как при сварке в аргоне, так и при свар­ ке в азоте.

При сварке в азоте стали ХН78Т результаты аналогич­ ные.

В зависимости от состава газовой среды меняются ме­ ханические свойства при сварке и наплавке стали 25 и 20. По сравнению с основным металлом при сварке стали 25 и 20 наплавленный металл имеет: пониженный на 44% предел прочности при сварке в среде аргона и повышен­ ный на 12% при сварке в среде азота; повышенный на 26% предел текучести при сварке в среде аргона и на 77% при сварке в среде азота; сниженный коэффициент отно­ сительного сужения до 73% при сварке в аргоне и до 80% при сварке в азоте.

Для стали Х18Н9Т толщиной 1,5 мм рекомендуются следующие режимы азотно-дуговой сварки: первый про­

ход — 60 А, 30 см/мин, второй проход — 80 А, ,40 см/мин, третий проход— 100 А, 30 см/мин, расход азота 4— 7 л/мин, скорость сварки > 40 см/мин.

§24. СВАРКА ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

ВСРЕДЕ АЗОТА

По отношению к хромоникелевым сталям азот не яв­ ляется инертным газбм. При сварке хромоникелевых ста­ лей азот не только защищает жидкий металл от воздей­ ствия кислорода, но и как легирующий элемент активно участвует в металлургическом процессе, оказывая в опре­ деленных условиях благоприятное влияние на структуру и свойства металла шва. Поэтому целесообразно примене­ ние азота в качестве защитного газа при сварке хромо­ никелевых аустенитных сталей.

Сварка хромоникелевых сталей в среде азота не толь­ ко дает большой технико-экономический эффект, но и по­ вышает свойства металла шва благодаря дополнительно­ му легированию его азотом.

Азотная защита дуги при сварке плавящимся элект­ родом характеризуется повышенным градиентом напря­ жения в столбе дуги, равным 4,2 В/мм при токе 280 А, вследствие его охлаждающей способности, обусловленной теплофизическими свойствами — теплоемкостью, тепло­ проводностью и степенью диссоциации. Однако стабиль­ ность горения дуги в среде азота достаточно велика.

Минимальное напряжение, необходимое для поддер­ жания непрерывного горения дуги, ниже 22 В. При сварке в среде азота проволокой диаметром 2 мм нормальным является напряжение дуги 22—28 В.

При сварке в среде азота перенос металла является капельным с короткими замыканиями. Струйный перенос металла не наблюдается даже при увеличении плотности тока вплоть до 140 А/мм2, тогда как в среде аргона струй­ ный перенос металла наблюдается при плотности тока уже около 90 А/мм2. Размеры капель электродного металла и частота их переноса при сварке в среде азота в значи­ тельной степени зависят от силы тока и напряжения дуги.

При увеличении тока от 220 до 300 А размеры капель уменьшаются от 3,2 до 2,5 мм, а частота переноса соот­ ветственно увеличивается от 8 до 50 капель в секунду. Такое изменение характера переноса значительно влияет

164

на металлургические процессы, протекающие в столбе ду­ ги. Основными причинами, влияющими на характер пере­ носа металла при сварке в среде азота, являются следу­ ющие:

азот повышает поверхностное напряжение хромонике­ левых сталей (в жидком состоянии);

образование тонкой нитридной пленки на поверхности капель электродного металла препятствует их отрыву от электрода. Особенно заметно влияет наличие в металле шва титана, который образует с азотом устойчивый нит­ рид титана. При прочих равных условиях с увеличением содержания титана в метале шва от 0,75 до 1,66% разме­ ры капель электродного металла увеличиваются от 2,5 до 5,4 мм, время пребывания капель на конце электрода от 0,02 до 0,33 с.

Дуга в среде азота характеризуется высокой тепловой эффективностью по следующим причинам:

при сварке в среде азота на поверхности свариваемого металла происходит рекомбинация молекул азота с вы­ делением большого количества тепла, которое использует­ ся для дополнительного нагрева и расплавления металла; большой градиент напряжения в столбе обуславливает короткую дугу. При сварке открытой дугой очень важным фактором, определяющим ее тепловую эффективность, яв­ ляется длина дуги. Короткая дуга обеспечивает меньшие потери тепла на изучение и конвекцию и тем самым по­

вышает тепловую эффективность.

Наибольшие коэффициенты расплавления и наплавки наблюдаются при сварке в среде азота постоянным током прямой полярности. При сварке на прямой полярности током 200—350 А коэффициент наплавки в 1,5—1,8 раза больше коэффициента наплавки при обратной поляр­

пропл. + Д,

от 50 до 44%. Это говорит о том, что при сварке в сре­ де азота химический состав металла шва и его свойства получаются более стабильными, мало зависящими от ре­ жима сварки. Коэффициент потерь при сварке в азоте ф не превышает 10%,

165

Применение азота в качестве защитного газа при свар­ ке отличается от применения инертных газов аргона и гелия тем, что азот как защитный газ защищает жидкий металл от воздействия кислорода, а кроме того, азот яв­ ляется активной средой, интенсивно реагирующей с жид­ ким металлом, растворяясь в металле и образуя с ним нитриды.

Схемой растворения азота в металле является следу­ ющая: азот адсорбируется на поверхности металла, затем образует с ним нитриды и растворяется в металле в виде нитридов.

Элементы, образующие прочные нитриды, всегда спо­ собствуют распространению азота в сплаве. По актив­ ности к азоту их можно расположить в следующий ряд: цирконий,титан, ванадий, ниобий, тантал, кремний, хром, марганец.

Содержание азота в металле шва зависит от химиче­ ского состава металла, режима сварки и других факто­ ров.

При сварке хромоникелевых сталей Х18Н9Т в среде азота легирующие элементы титан, хром, марганец, вана­ дий и кремний относятся к числу сильных нитридообра­ зующих элементов, повышающих содержание азота в металле шва; никель, вольфрам и молибден практически не влияют на содержание азота, а ниобий уменьшает со­ держание азота.

Поглощение азота жидким металлом при сварке пла­ вящимся электродом интенсивно происходит в дуговом промежутке на конце электрода. Поэтому на процесс по­ глощения азота жидким металлом влияют два фактора: размеры капель электродного материала и время их пре­ бывания на конце электрода в дуговом промежутке, т. е. длительность воздействия азота на жидкий металл.

При уменьшении сварочного тока от 300 до 220 А вследствие увеличения длительности пребывания капель на. конце электрода от 0,02 до 0,12 с содержание азота в наплавленном металле увеличивается от 0,163 до 0,180%, несмотря на увеличение размеров капель от 2,5 до 3,2 мм. Поэтому с целью уменьшения содержания азота в метал­ ле шва при сварке в среде азота устанавливают большой ток и малое напряжение на дуге.

Для сварки в среде азота проволокой диаметром 2 мм рекомендуются следующие режимы: ток 280=^-450 А, на’ пряжение дуга 22—28 3 -

166

Скорость сварки и полярность тока Не влияют на со­ держание азота в наплавленном металле. При многослой­ ной сварке в среде азота содержание его в металле шва зависит от числа слоев; чем больше слоев, тем больше азота в металле шва. При снижении чистоты азота или качества защиты содержание азота в металле шва возра­ стает как при малом, так и при большом расходе-защит- ного газа.

Во всех случаях содержание азота в швах деталей из аустенитной стали должно составлять 0,11—0,36% без ухудшения свойств металла шва.

При сварке в азоте последний активно защищает жид­ кий металл от окисления. Это доказывается высокими коэффициентами поглощения (усвоения) легирующих элементов при сварке сталей Х18Н9Т в среде азота. Азот по освоению легирующих элементов превосходит углекис­ лый газ. Химический состав металла сварных швов дета­ лей из стали Х18Н9Т, выполненных в среде азота и арго­ на плавящимся электродом, дан в табл. 51.

При сварке в среде азота сталей Х18Н9Т проволокой, содержащей повышенное количество ферритной фазы, азот не влияет на сопротивляемость швов образованию горячих трещин, а при сварке с меньшим содержанием ферритной фазы вследствие его аустенизирующего дейст­ вия несколько снижает сопротивляемость швов образова­ нию горячих трещин. Существует определенное критиче­ ское содержание ферритной фазы, выше которого даль­ нейшее увеличение феррита не повышает сопротивляемо­ сти металла швов образованию горячих трещин.

Таким образом, отрицательное влияние азота на соп­ ротивляемость швов образованию горячих трещин появ-

167

Ляётся только при использовании проволоки с низким ис­ ходным содержанием ферритной фазы, когда после свар­ ки в среде азота содержание ферритной фазы уменьша­ ется ниже критического вследствие аустенизирующего действия азота. Азот уменьшает количество ферритной фазы во всех швах, сваренных в среде азота проволокой Св07Х25НВ, Св04Х 19Н9 и Св08Х19Н9Ф2С2. Азот не из­ меняет микроструктуру металла чисто аустенитных швов.

Азот как аустенизатор уменьшает содержание феррит­ ной фазы в металле шва, что особенно заметно при мно­ гослойной наплавке в среде азота. Аустенизирующее дей­ ствие азота в 5—12 раз больше, чем никеля.

Т а б л и ц а 52

Механические свойства сварных швов на деталях из стали Х18Н9Т, выполненных плавящимся электродом в различных защитных газах

168

Механические испытания швов, выполненных в среде азота, показывают, что их предел прочности и предел те­ кучести достаточно высоки, пластичность и ударная вяз­ кость удовлетворительные как при нормальной, так и при повышенной температуре. Механические свойства метал­ ла сварных швов стали Х18Н9Т, выполненных плавящим­ ся электродом, даны в табл. 52.

При многослойной сварке в среде азота с увеличением числа слоев, т. е. с увеличением содержания азота в ме­ талле шва, предел текучести и предел прочности повыша­ ются. При однослойной сварке несколько понижается ударная вязкость швов при сварке в азоте по сравнению со сваркой в аргоне (табл.53).

Т а б л и ц а 53

Механические свойства однослойных и многослойных швов

§ 25. АТОМНО-ВОДОРОДНАЯ СВАРКА

Сущность атомно-водородной сварки заключается в том, что в дугу косвенного действия, горящую между дву­ мя неплавящимися электродами, вдувается газообразный водород. Водород оказывает защитное действие на основ­ ной металл и на электроды. В столбе дуги при температу­ ре 4000—6000° С молекулярный водород диссоциирует (распадается) на атомы с поглощением большого количе­ ства тепла по реакции

Н2—>2Н — 100 600 ккал/г-моль.

Попадая на более холодный металл, атомарный во­ дород защищает его от воздействия кислорода и азота

169

воздуха, вновь ассоциирует (соединяется) в молекулы с выделением ранее поглощенного тепла по реакции

2Н —>H2-j- 100 600 ккал/г-моль.

Это тепло используется для плавления металла и об­ разования шва. Водород хорошо восстанавливает окис­ лы, не позволяет азоту вступать в химические соединения и насыщать ими металл шва, этим оказывает положитель­ ные защитные и металлургические воздействия на металл шва. Кроме того, водород обезуглероживает металл.

При горении дуги водород, обладающий высоким потенциалом ионизации и высокой теплопроводностью, требует повышенных напряжений холостого хода источ­ ника питания. При низком напряжении горение дуги неустойчивое. Атомно-водородная сварка осуществляет­ ся на переменном токе, что обеспечивает равномерное сгорание обоих электродов. Для электродов при атомноводородной сварке используют в основном неплавящиеся материалы — вольфрам диаметром 1—3 мм или гра­ фит (уголь) диаметром 5—£ мм.

При горении дуги в водородной среде возникает ха­ рактерный звенящий звук. Такую дугу повышенной мощ­ ности, повышенного расхода газа и повышенного рас­ стояния между электродами называют «звенящей». При уменьшении мощности дуги, расхода газа, расстояния между электродами дуга горит тихо (ее называют «ти­ хой» или «спокойной»). Это до некоторой степени поз­ воляет на слух определять мощность дуги. Тихую дугу применяют для сварки малых толщин металла, звеня­ щую — для металла повышенной толщины.

Атомно-водородной сваркой свариваются углероди­ стые, низколегированные и высоколегированные стали и сплавы, алюминиевые и магниевые сплавы, никель, мо­ нель-металл, молибден, вольфрам и др.

Недостатки атомно-водородной сварки:

напряжение холостого хода источника питания долж­ но быть не менее 260—320 В;

рабочее напряжение на дуге остается 70—150 В; повышенные требования к технике безопасности в

связи с применением сжатого взрывоопасного и летучего водорода;

сравнительно низкая производительность. Атомно­ водородная сварка может осуществляться как вручную, так и автоматически с подачей присадочной проволоки.

170