Сварка специальных сталей и сплавов. Учебно-методическое пособие

3. Химический состав наплавленного валика

Сварочные материалы по химическому составу отличаются от основного металла изделия. Это делается с целью улучшения свариваемости. Иногда различие, например как при сварке мартенситных сталей аустенитными электродами, может быть существенным.

В сварочной ванне происходит слияние расплавленного основного

инаплавочного (электродного) материалов. В результате в наплавленном валике формируется третий химический состав, отличающийся от химического состава

инаплавочного и основного металлов. Прогнозирование химического состава металла шва нередко является важной составляющей при разработке технологии сварки.

При отсутствии химических реакций содержание Сш любого элемента в n- м слое шва может быть найдено с учетом доли К (табл. 1) основного металла в наплавленном [1]:

Сшn = Сэ – (Сэ – Со) Кn,

где Со и Сэ – содержание элемента в основном и электродном металлах, соответственно.

Вычитаемое в формуле быстро (в степенной функции) уменьшается с ростом n, поэтому при n = 3 принято считать, что наплавленный металл по химическому составу соответствует наплавочному материалу: Сш Сэ.

Содержание легирующих элементов в наплавленном слое может уменьшаться из-за их химического взаимодействия с кислородом, содержащимся в окислах флюса. Большинство легирующих элементов (Сг, Аl, Тi, Nb, Мо, W, V, Zr), обладают более высоким сродством к кислороду, чем Si, Mn, окислы которых являются составляющей частью многих флюсов. В сварочной ванне легирующие элементы восстанавливают Si и Mn из окислов, а сами переходят в шлак в составе новых окислов.

11

Обеднение наплавленного металла легирующими элементами ухудшает жаропрочность, коррозионную стойкость и другие важные свойства. Шлаковая же корка, обогащенная окислами Cr, Al, V, кристаллизуясь на шве, повторяет кристаллическую структуру металла, из-за чего плохо от него отделяется, что усложняет ведение сварки.

Для предупреждения перехода легирующих элементов в шлак разработаны низкомарганцевые и низкокремнистые флюсы марок: АН-20, АН-26, 48-ОФ-6 и др. (табл. 2). Они не допускают обеднения наплавленного металла легирующими элементами, способствуют хорошей отделимости шлаковой корки.

Итак, чтобы уменьшить разницу между химическим составом наплавочного материала и наплавленного валика (шва), нужно применять способы сварки, характеризующиеся малой долей участия основного металла в наплавленном металле (сварка ленточным электродом, электрошлаковая, газопламенная, плазменная – табл. 1). Иметь в виду, что существуют способы сварки с применением давления (электро-контактная, взрывом, диффузионная), в которых перемешивание наплавочного металла с основным отсутствует.

При назначении режимов дуговой сварки по возможности следует уменьшать величину тока и увеличивать перекрытие соседних валиков , процесс вести в безокислительных средах, например, в аргоне, гелии и под малокислородными флюсами типа АН-20.

12

Вопросы для самоконтроля

1. Причины отличий химического состава основного, наплавочного

иметалла шва между собой.

2.Доля участия основного металла в наплавленном и способы ее уменьшения.

3.Влияние химических реакций на химический состав шва.

13

4. Структурная неоднородность сварного соединения

Вблизи линии сплавления основной металл нагревается до высоких (близких к Тпл) температур и происходит укрупнение зерен, от которых вырастают крупные кристаллиты в сварочной ванне. По мере удаления от линии сплавления соседние кристаллиты объединяются, и структура шва еще более укрупняется (рис. 4).

– наплавленный металл

– участок «перегрева», > 900 ºС

– участок «нормализации», 700–900 ºС

– участок «отпуска», < 700 ºС

– основной металл без термовлияния

Рис. 4. Структурная неоднородность зоны сварки (наплавки)

Грубая крупнозернистая структура шва чаще всего нежелательна из-за низкой ударной вязкости, и потому принимают меры для ее предупреждения. Это достигается наплавкой «ниточных» валиков при заполнении разделки. В переохлажденной сварочной ванне возникают дополнительные центры кристаллизации, увеличивающие число дендритов, что приводит к уменьшению их размеров.

Первичная крупнозернистая литая структура особенно нежелательна при сварке однофазных сталей (аустенитных, ферритных). В обычных же углеродистых сталях при остывании в области 700…300 оС на месте крупных первичных зерен -фазы (аустенита) возникают новые зерна -фазы (перлита, сорбита, троостита). В ходе этого превращения крупнозернистая структура измельчается.

В зоне термического влияния за участком «перегрева» с крупным зерном имеется участок «нормализации» с мелким зерном, а далее участок отпуска. Их твердость и размеры зависят от химического и структурного состава основного

14

металла, длительности нагрева, скорости охлаждения. Каждый участок сварного соединения, в зависимости от его свойств, усиливает или снижает предрасположенность к трещинам.

Вопросы для самоконтроля

1.Характеристика кристаллической структуры шва.

2.Природа появления участков в зоне термовлияния.

15

5. Сварочные деформации и напряжения

При варке плавлением в результате неравномерного нагрева возникают остаточные деформации и напряжения.

Направление деформаций (прогибов) прогнозируется из известного утверждения, что «шов тянет на себя». Предположим, что на ребро пластины наплавили валик (рис. 5). Будем считать, что валик наплавлен одновременной по всей длине. Если бы наплавленный валик не был связан с основным металлом,

где – коэффициент теплового расширения, Т – разность температур,

l – длина валика.

Но поскольку наплавленный и основной металлы составляют одно целое, то пластина будет препятствовать тепловому сокращению шва. Рассмотрим два крайних результата этого противоборства:

1. Пластина небольшой высоты, т. е. гибкая. Она «дает себя увлечь» за тепловым сокращением наплавленного металла и прогибается (рис. 5). В этом случае говорят об

образовании остаточных деформаций. Остаточные деформации искажают

форму изделий, могут сделать их не пригодными к употреблению. Для предупреждения появления (или уменьшения)

сварочных деформаций закрепляют нежесткие конструкции, уменьшают силу тока, увеличивают скорость сварки, сварку производят «вразброс» короткими участками, прибегают к проковке швов и другим мерам.

2. Пластина большой высоты, т. е. жесткая. В этом случае наплавленный валик одновременно с тепловым сокращением должен растянуться на такую же величину, ибо уменьшить длину ему не позволяет связь с неподатливым основным металлом.

Будем считать, что растяжение стального шва при остывании с температуры плавления до 800 оС (температура окончания ковки) происходит подобно пластилину, т. е. не сопровождается образованием в нем напряжений.

При дальнейшем понижении температуры металл шва приобретет прочность и в нем появляются растягивающие напряжения. Принято считать, что напряжения, соответствующие пределу текучести, появляются при

16

деформации 0,2 %. Этого значения деформация в шве достигает при его остывании на ~140 ºС:

· Т = 14 10-6·140 = 1,96·10-3 0,2 %,

т. е. при температуре: 800 – 140 = 660 ºС.

Дальнейшее остывание сопровождается пластической деформацией шва на величину:

· Т = 14 10-6·(660–20) = 9,2·10-3 1 %.

Пластическое растяжение шва может сопровождаться образованием трещин, а может происходить без разрушения. Сопоставляя деформацию шва, получаемую при остывании (1%), с относительным удлинением различных сталей можно отметить следующее. Она в двадцать раз меньше, чем относительное удлинение низкоуглеродистых сталей (δ = 20 %), и близка относительному удлинению закаливающихся сталей, типа 65Г (δ = 3 %). Этим объясняется, что при сварке низкоуглеродистых сталей трещины в сварных соединениях не образуются, а в закаливающихся они появляются, если не принимаются специальные меры по их предупреждению.

Проведенный анализ показал, что сварка (наплавка) сопровождается образованием сварочных напряжений, соизмеримых с пределом текучести материала. Суммируясь при эксплуатации с рабочими напряжениями, они могут приводить к непредвиденным поломкам, поэтому применяются меры по их снижению: предварительный подогрев, проковка швов, и др. Наиболее эффективно остаточные напряжения снижает высокий (500– 650 оС) отпуск или нормализация.

Вопросы для самоконтроля

1.Причина появления и направление сварочных деформаций.

2.Меры по предупреждению сварочных деформаций.

3.Меры по предупреждению и снижению сварочных напряжений.

17

6. Сварка мартенситных и аустенитных сталей

Мартенситные или закаливающиеся стали отличаются наличием легирующих элементов (Mn, Cr, Mo и др.), которые замедляют распад аустенита. Это приводит к тому, что при сварочных скоростях охлаждения в наплавленном металле и (или) зоне термического влияния аустенит распадается с образованием не пластичного и мягкого перлита (как при сварке низкоуглеродистых сталей) а хрупкого и твердого мартенсита.

В образовавшейся хрупкой структуре мартенсита под воздействием сварочных напряжений легко образуются холодные трещины. Чтобы не допустить их появления применяют предварительный подогрев до температуры не ниже мартенситного превращения (Мн = 200…400 оС). Этим исключается образование хрупкого мартенсита и, одновременно, уменьшаются сварочные напряжения. В результате, вероятность появления холодных трещин резко падает.

Если деталь небольшая, то при наплавке она быстро разогревается теплом сварочной дуги, что расценивается как «автоподогрев». В этом случае предварительный подогрев становится излишним. Чтобы ускорить наступление автоподогрева, сварку (наплавку) ведут повышенным током с пониженной скоростью.

Важно иметь в виду, что холодные трещины образуются не только в процессе сварки (наплавки), но и после ее завершения, например, через несколько часов. Чтобы исключить их появление, сваренным (наплавленным) изделиям сразу же проводят отпуск. Он представляет собой нагрев до 200…700 ºС и выдержку при этой температуре не менее 2–4 ч (чем меньше температура отпуска, тем длительнее выдержка). Во время отпуска происходит уменьшение сварочных напряжений и некоторое увеличение пластичности сварного соединения за счет структурных превращений.

В некоторых случаях сварка мартенситных сталей может успешно выполняться без подогрева. Для этого используются аустенитные сварочные материалы. Они не способны к закалке с образованием хрупкого мартенсита. Имея стабильную аустенитную структуру, они обладают высокой пластичностью. В случае их применения сварочные деформации локализуются в пластичном аустенитном шве, и этим резко понижают уровень сварочных напряжений в зоне термического влияния. Как следствие, трещин в ней, не смотря на наличие мартенсита, не образуется.

При сварке без подогрева важно не допускать распространения зоны термического влияния на большую глубину. Для этого сварку ведут

«ниточными» валиками (на пониженном токе, но с повышенной скоростью), 18

чем одновременно минимизируется доля участия основного металла в наплавленном. В противном случае возможно снижение в металле шва легирующих элементов, и он из аустенитного класса перейдет в мартенситный класс, т. е. приобретет склонность к образованию холодных трещин.

Аустенитные стали имеют высокое содержание легирующих элементов, поэтому называются высоколегированными. Благодаря высокой легированности, аустенит в этих сталях обладает высокой устойчивостью, и при охлаждении даже до очень низких температур (−100 ºС) не претерпевает структурного γ-α- превращения, сохраняя высокотемпературное состояние при нормальной температуре.

Отсутствие фазового превращения делает их склонными к появлению при сварке горячих трещин. Предупреждение трещин достигается измельчением литой структуры шва. Для этого сварочные электроды и проволоки легируют так, чтобы в шве при кристаллизации образовывалось 6…8 % ферритной (дополнительной) фазы.

Кроме того, сварку (наплавку) следует выполнять «ниточными» валиками (на пониженном токе с повышенной скоростью) и с перерывами между проходами для остывания зоны сварки. Это обеспечивает переохлаждение сварочной ванны, увеличение центров кристаллизации и, как следствие, измельчение литой структуры шва и предупреждение горячих трещин.

В околошовной зоне (500…800 оС) в нержавеющих аустенитных сталях возможно выпадение карбидов, что приводит к обеднению хромом (ниже 12 %) границ зерен. Обедненные хромом участки, и сами карбиды, менее стойки к агрессивной среде, и здесь развивается коррозия (ножевая, межкристаллитная). Для ее предупреждения надо избегать перегрева, наплавки с большой погонной энергией, т. е. всего того, что может вызвать длительный нагрев околошовной зоны до 500…800 оС.

Вопросы для самоконтроля

1.Правила сварки мартенситных сталей.

2.Правила сварки аустенитных сталей.

19

7. Особенности сварки чугуна

Чугун отличается низкой пластичностью, настолько низкой, что не поддается ковке и прокатке. По этой причине он склонен к образованию при сварке холодных трещин. Высокое содержание в нем углерода (более 2,14 %) делает чугун склонным к появлению горячих трещин. Таким образом, чугун относится к материалам с ограниченной свариваемостью. Различают две технологии сварки чугуна: горячую и холодную.

Горячая сварка чугуна предусматривает подогрев до 600…700 оС

изамедленное охлаждение после сварки со скоростью 20…50 оС/ч. Это предупреждает образование сварочных напряжений и хрупких закалочных структур, следовательно, снижает вероятность появления холодных трещин.

Сварку ведут чугунными электродами или прутками под флюсом, обеспечивая большую сварочную ванну (I до 1000 А) для удаления из жидкого металла газов и неметаллических включений, чем предупреждается появление горячих трещин.

Горячая сварка чугуна трудоемка и из-за высокого подогрева создает для сварщиков тяжелые условия труда; в промышленности применятся не часто.

Холодная сварка чугуна более распространена, чем горячая сварка. Она предусматривает получение пластичного (мягкого) шва. В нем концентрируются сварочные деформации, за счет чего зона термического влияния в хрупком основном металле освобождается от сварочных напряжений. Как следствие, образования в ней трещин не происходит, даже при сварке без подогрева.

Сварку ведут короткими (50…60 мм) валиками, на малых (70–140 А) токах, проковывая их (до устранения чешуйчатости) сразу после обрывания дуги

иобязательно давая шву остыть до 70…100 оС. Малый ток необходим, чтобы не допустить глубокого проплавления основного металла и насыщения шва углеродом.

При холодной сварке чугуна применяются следующие основные типы электродов.

Электроды на железной основе. Их представитель – марка ЦЧ-4.

Железная основа электродов делает их наименее дорогостоящими среди других типов.

Они содержат около 8 % ванадия, который связывает углерод, поступающий из основного металла, в карбиды VC, и тем предупреждается образование закалочных структур и трещин в металле шва. Типичная твердость шва небольшая: НВ 160…190, что гарантирует ему высокую пластичность.

20