Сварка специальных сталей и сплавов. Учебно-методическое пособие

В. А. Коротков

СВАРКА СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

И СПЛАВОВ

Учебно-методическое пособие

Саратов

2013

УДК 621.791 (075.8)

ББК Ж616

К68

Рецензенты:

директор по инновациям и инвестициям ОАО «НПК “Уралвагонзавод”»

С. А. Горячев;

директор ЗАО «Завод сварочных материалов», доц., канд. техн. наук А. Н. Балин

Научный редактор:

д-р техн. наук Е. Н. Сафонов

Коротков, В. А.

К68 Сварка специальных сталей и сплавов : учеб.-метод. пособие /

В. А. Коротков. — Саратов: Издательство «Вузовское образование», 2013. — (Высшее образование). — 31 с. — Док. опубл. не был. — Доступ с сайта ЭБС

IPRbooks.

Пособие рассматривает основные вопросы сварки специальных сталей и сплавов, знание которых необходимо студентам 4-го курса для прохождения производственной практики и является частью профессиональной компетенции выпускника сварочной специальности.

УДК 621.791 (075.8)

ББК Ж616

© Коротков В. А.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

7.Особенности сварки чугуна…………………………………………… 20

8.Особенности сварки Al, Ti, Cu и их сплавов…………………………. 22

9.Виды сварочных материалов и области их применения……………. 25

10.Сварочные источники питания……………………………………….. 27

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………….. 31

3

ВВЕДЕНИЕ

Сварка и наплавка могут сопровождаться образованием пор, трещин, деформаций, появлением склонности к поломкам при ударах или пониженных температурах и проч., что снижает качество изготавливаемых изделий. Для предупреждения дефектов применяют специальные меры. Если они не требуются,

то сталь считается хорошо свариваемой, в противном случае – с ограниченной

(плохой) свариваемостью. В поисках мер по предупреждению дефектов и обеспечению надлежащей работоспособности в конкретных условиях сварки (наплавки) происходило формирование всей сварочной науки [1].

Известно, что легированные (специальные) стали и сплавы обладают ограниченной свариваемостью, т. е. при их сварке требуется принятие дополнительных мер, изучению которых посвящается настоящий курс.

Основные даты истории развития сварочного производства

Способы сварки

1882 г. – сварка угольным электродом (Н. Н. Бенардос, Россия). 1888 г. – сварка с использованием флюса (Н. Г. Славянов, Россия). 1902 г. – сварка покрытыми электродами.

1906 г. – ацетиленокислородная сварка.

30-е гг. – 1) сварка W-электродом и сварка под флюсом; 2) сварка трехфазной дугой (СССР).

40-е гг. – полуавтоматическая сварка в аргоне.

50-е гг. – 1) плазменная и электроннолучевая сварка; 2) электрошлаковая сварка (СССР);

3)сварка в СО2 (СССР);

4)сварка трением (СССР);

60-е гг. – сварка взрывом (СССР).

70-е гг. – гибридная сварка (лазер плюс плавящийся электрод в СО2) для соединения тонких листов в автомобилестроении.

90-е гг. – сварка «трением с перемешиванием» легкоплавких алюминиевых материалов.

4

Основы свариваемости

1939 г. – в США стандартизированы ударные испытания сварных швов по методу Г. Шарпи – К. Чернова, предложенному в 1901 г.

1940 г. – введено понятие углеродный эквивалент свариваемости. 1944 г. – предложена водородная гипотеза холодных трещин.

1948 г. – Н. О. Окерблом (СССР) разделил холодные трещины на следующие виды: деформационные – в корне шва глубоких V-образных разделок изза большой угловой деформации; «частокол» – поперечные; отколы – продольные.

1950 г. – К. В. Любавский и В. А. Лапидус анализом химических реакций раскрыли причину не полного перехода легирующих элементов из электродов в металл шва (СССР).

1951 г. – И. И. Фрумин обнаружил, что полное удаление влаги из электродного покрытия делает невозможной сварку в потолочном положении (СССР).

1952 г. – введено понятие технологическая прочность при сварке – способность образовать швы без «горячих» трещин (Н. Н. Прохоров, СССР).

1956 г. – сформулирован принцип сварки высокопрочных сталей без термообработки (А. Макара, СССР): измельчать первичную (литую) структуру шва переохлаждением сварочной ванны (увеличением скорости сварки) и введением элементов-модификаторов: Тi, Zr и др., а вторичную – перлитным или бейнитным превращением.

1967 г. – «Аттестация технологии сварки должна обосновываться не присутствием или отсутствием нежелательных структур в сварном соединении, а способностью выдерживать конкретные виды воздействия в условиях эксплуатации» – решение Международного института сварки (МИС).

70-е гг. – «Нет одной причины хрупких разрушений сварных конструкций. Они происходят от воздействия сразу нескольких факторов: скопления концентратов напряжений, низкой ударной вязкости материала и температуры эксплуатации, ударных нагрузок и др., причем первые два фактора наиболее значимые» – решение МИСа.

1989 г. – прижег на основном металле, возникающий от возбуждения дуги, стал оцениваться как дефект, из-за способности инициировать хрупкое разрушение (принято в США).

5

Сварочное производство

1918 г. – регистр Ллойда аттестовал сварку и сварочные материалы в качестве

60-е гг. – облицовка рабочих колес гидротурбин и атомных реакторов сваркой взрывом (СССР).

70-е гг. – переход от сварки в СО2 на сварку в аргоновых смесях; роботизация сварки.

80-е гг. – фабричное производство в судостроении; в цехах изготавли-ваются крупные блоки, из которых (а не из листов) ведется сборка судна на верфи.

90-е гг. – введение десульфурации (удаление серы) нефтяного топлива потребовало массового производства крупных сосудов (высотой до 24 м, до 8 м, со стенкой до 254 мм), для их производства были выстроены новые заводы сварных конструкций с соответствующими габаритами и оборудованием.

Вопросы для самоконтроля

1.Открытие новых способов сварки.

2.Развитие представлений о свариваемости.

3.Важные события в развитии сварочного производства.

6

1. Подрезы и поры

Подрезы. Их появление связано с давлением дуги, вытесняющим расплавленный металл из-под самой дуги в хвостовую часть сварочной ванны. После перемещения дуги вперед, расплавленный металл из хвостовой части ванны натекает в проплавленную канавку. При высокой скорости сварки или широкой дуге (большом напряжении на дуге) края проплавленной канавки успевают остыть и не смачиваются расплавленным металлом, вследствие чего их сплавления со швом не происходит (рис. 1).

Рис. 1. Наплавленный валик:

а – без подреза; б – с подрезом

а)а) б) б)

В конце 40-х гг. скорость сварки под флюсом труб большого диаметра для магистральных газо- и нефтепроводов составляла ~ 30 м/ч. При более высоких скоростях образовывались подрезы. Тогда разработали облегченный флюс АН-60, имеющий не стекловидное, как у флюса АН-348А, а пемзовидное строение. Это облегчило его вытеснение расплавом и ускорило заполнение проплавленной канавки жидким металлом из хвостовой части ванны, что позволило увеличить скорость сварки до 60 м/ч.

Затем применили сварку двумя установленными друг за другом сварочными головками. Вторая головка большим током переплавляла дефектный (с подрезами) шов от первой головки. Поскольку вторая головка выполняла сварку по нагретому металлу, то условия смачивания кромок расплавленным металлом улучшилась, и подрезы уже не образовывались. Скорость сварки была увеличена до 180 м/ч.

Поры образуются при кристаллизации наплавленного валика, когда растворимость газов (кислорода, водорода и азота) в металле резко падает. Излишки газов выделяются в атмосферу и, если расплавленный металл был пересыщен газами, то образуются поры.

Для предупреждения пористости важно не допускать контакта сварочной ванны и капель электродного металла с воздухом. А также исключить из зоны горения дуги ржавчину, влагу и загрязнения, содержащие или адсорбирующие различные газы: кислород, водород и азот. Для этого зачищают кромки,

7

прокаливают флюс, электроды, порошковую проволоку, наплавочные порошки.

После прокалки нельзя допускать их повторного насыщения влагой из воздуха, т. е. следует хранить в закрытых емкостях или использовать немедленно.

В порошковую проволоку, электродную обмазку и флюс вводят фтористый кальций (плавикового шпата), связывающий азот в соединения, нерастворимые в жидком металле. Для сварки кораблей на верфях, т. е. на влажном воздухе, предусмотрен флюс ОСЦ-45, в котором фтористого кальция вдвое больше ( 8 %), чем во флюсе АН-348А, предназначенном для сварки в закрытых помещениях.

При сварке в углекислом газе (СО2), разлагающемся в дуге на окись углерода (СО) и кислород (О), проволоки для предупреждения пор, должны содержать элементы-раскислители: марганец, кремний, титан и т. п., связывающие кислород в твердые окислы.

Рис. 2. Сопло для защиты удлиненной сварочной ванны при сварке на большом токе

Увеличение размеров сварочной ванны, а значит длительности ее существования, способствует более полному выделению газов из жидкого металла и снижению пористости. Но, если при этом ухудшится защита сварочной ванны, то она будет больше насыщаться газами и пористость увеличится. Например, при сварке в СО2 увеличение размеров сварочной ванны может вывести ее из-под струи защитного газа, и тогда, чтобы предупредить пористость, потребуется специальное сопло (рис. 2).

Вопросы для самоконтроля

1.Физическая природа появления подрезов.

2.Способы предупреждения появления подрезов.

3.Образование пор.

4.Меры по предупреждению пористости.

8

2. Горячие и холодные трещины

Горячие трещины (их еще называют кристаллизационными) зарождаются при кристаллизации (1500–1000 ºС) и располагаются между столбчатых кристаллов, из-за чего приобретают форму ломаной линии. Кромки, образующие горячие трещины, обычно покрыты окислами вследствие контакта с воздухом при высоких температурах.

Появление «горячих» трещин тем вероятнее, чем дольше сохраняется между кристаллитами жидкая прослойка эвтектического состава. Технические условия на сварочные материалы ограничивают в них содержание S, P, C, чтобы уменьшить объем легкоплавкой эвтектики и тем снизить предрасположенность к горячим трещинам.

Важно заменять узкий и глубокий провар широким и неглубоким. В первом случае кристаллиты растут навстречу друг другу и заклинивают в центре шва легкоплавкие эвтектики, что приводит к образованию горячих трещин. В случае широкого и неглубокого провара кристаллиты растут почти параллельно друг другу и вытесняют легкоплавкие эвтектики на поверхность шва, что исключает появление горячих трещин (рис. 3).

Стойкость против горячих трещин повышается при измельчении кристаллитов. Это достигается переохлаждением сварочной ванны за счет:

–введения в нее тугоплавких элементов (Ti, V, Nb, Mo), увеличивающих число центров кристаллизации,

–магнитного или ультразвукового ее перемешивания,

–выполнения сварки «ниточными», т. е. узкими валиками.

Холодные трещины – этот термин введен в 40-х гг. XX в. для обозначения трещин, отличных от горячих. Холодные трещины образуются при гораздо меньших (400–200 ºС) температурах, а иногда после полного остывания изделия. Их образование сопровождается «звоном» и может происходить видимым образом. Поверхность трещин блестящая, без окалины; этим они отличаются от

9

горячих. В литературе холодные трещины именовались «подваликовыми», «трещинами в закаленной зоне» и т. п.

Существуют две гипотезы образования холодных трещин. Одна из них

называется «закалочной», т. к. объясняет появление трещин в закаливающихся (мартенситных) сталях. Считается, что при твердости в зоне сварки до НВ 250 холодных трещин не образуется, при твердости НВ 250…350 – они маловероятны, при НВ 350…450 – появление их возможно, а при НВ 450 – появляются всегда [2]. Отсюда способ борьбы с ними – применение предварительного подогрева и немедленного отпуска после сварки для снижения твердости шва и зоны термовлияния.

Другая гипотеза образования холодных трещин называется «водородной» и объясняет их появление в не закаливающихся сталях. Известно, что в жидком состоянии сталь растворяет в себе существенно больше водорода (23 см3/100 г), чем в твердом (4 см3/100 г при 900 оС и 1…3 см3/ 100 г при 20 оС). Оставшийся в шве после кристаллизации водород диффундирует, стремясь выделиться в атмосферу. Кристаллическая неоднородность сварного соединения создает преграды на пути диффузии водорода, и он скапливается на границах зерен и в пустотах. В этих местах давление водорода возрастает и разрывает металл. Аналогичное явление известно в металлургии как «образование флокенов».

Для снижения наводороживания предусматривается применение электродов с основным типом покрытия, прокалка электродов, флюса, порошковой проволоки, очистка места сварки и проволоки от ржавчины и других загрязнений.

Вырабатывая меры по предупреждению трещин, важно помнить, что их появление не возможно без тепловых напряжений, возникающих в результате сварочного воздействия. Поэтому любые меры по их снижению, например, проковка еще горячих швов, промежуточный отпуск, рациональная последовательность сварки и проч., будут способствовать предупреждению трещин.

Вопросы для самоконтроля

1.Природа появления и особенности горячих трещин.

2.Способы предупреждения горячих трещин.

3.Природа появления и особенности холодных трещин

4.Способы борьбы с холодными трещинами.

10