Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология металлов и сварка. Раздел «Сварочное производство». Учебно-методическое пособие
.pdf
Кремний и марганец относятся к полезным примесям;
все остальные являются вредными. Вредные примеси
ухудшают механические свойства и свариваемость стали.
Легированные стали – это стали, в которые содержат
легирующие элементы (марганец, хром, никель, молибден,
ванадий, вольфрам, медь и др.), которые вводят в расплав
для придания более высокой прочности и специальных
эксплуатационных свойств.
Легирование сплава непосредственно связано с
эксплуатационными условиями, в которых предполагается
использование. Так, поскольку детали строительных
конструкций обычно соединяют сваркой (редко клепкой), то
одним из основных требований основным требованием к
строительным сталям является их хорошая свариваемость.
Под свариваемостью понимают возможность образования
при сварке плотных герметичных швов с требуемыми
прочностными и физико-химическими свойствами.
Свариваемость контролируется степенью соответствия
физико-механических свойств сварного шва и основного
металла конструкции (изделия).
Сварной шов является частью сварного соединения,
образуется в результате процесса сварки и поэтому
отличается от основного металла внутренней структурой,
качеством поверхности и механическими свойствами.
Ясно, что для обеспечения нормальной работы
конструкции металл шва и сварного соединения в целом
должны обладать необходимой прочностью, пластичностью,
коррозионной стойкостью, а также сопротивляемостью шва
и околошовной зоны образованию трещин. Это означает, что
в стали при сварке не должны появляться трещины, а
свойства сварного соединения, т.е. металла шва и
околошовной зоны (зоны термического влияния) не должны
существенно отличаться от свойств основного металла.
На свариваемость металла кроме способов и режимов
сварки большое влияние оказывает химический состав
41
сплава. Большая опасность при сварке связана с
возможностью появления трещин в самом сварном шве и
околошовной зоне. Трещины бывают горячие и холодные.
Горячие трещины (рис. 21) образуются в сварном
шве во время первичной кристаллизации металла из жидкого
состояния, когда металл шва находится в твердо-жидком
состоянии (одновременно существуют жидкая фаза и
кристаллы твердой фазы).
Рис. 21. Формирование горячих трещин в сварном шве
1-2-3-поперечные трещины сварного шва и зоны вокруг него в
материале; 4-5- трещины продольные
Горячие трещины являются результатом разрушения
наименее прочных жидких межкристаллических прослоек
под действием усадочных напряжений и деформаций (усадка
стали, например, составляет 2,0%). Чем значительнее
температурный интервал первичной кристаллизации, т.е.
интервал между температурой ликвидус (температурой
начала кристаллизации) и температурой солидус
(температурой окончания кристаллизации). Иными словами,
чем больше время кристаллизации, тем выше вероятность
появления горячих трещин в процессе кристаллизации
металла.
В соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe3C
интервал первичной кристаллизации железо-углеродистых
сплавов растет с увеличением содержания углерода. Поэтому
наиболее склонны к образованию горячих трещин
42
высокоуглеродистые стали, содержащие более 0,25%
углерода.
К образованию горячих трещин склонны также
высоколегированные стали, алюминиевые и медные сплавы,
которые имеют широкий интервал первичной
кристаллизации.
Количество углерода и легирующих элементов
определяют структуру стали, от которой зависят
механические свойства, а также свариваемость стали, а
именно склонность к появлению холодных трещин.
Холодные трещины в стали чаще возникают в
околошовной зоне (зоне термического влияния) после
полного остывания сварного шва. Металл шва и
околошовной зоны нагреваются выше критической точки
Ас3 (выше линии GS) в область аустенита (рис. 21). При
охлаждении протекает процесс распада аустенита. В
зависимости от скорости охлаждения может происходить
нормализация, а может протекать частичная или полная
закалка сплава.
В любом случае фазовые превращения
сопровождаются объемными изменениями, вследствие чего
возникают внутренние (остаточные) напряжения. Эти
остаточные напряжения, а также насыщение металла шва
водородом, попадающим из влажных электродных
покрытий, флюсов и атмосферы, являются причинами
образования холодных трещин. Чем выше содержание
углерода в стали, тем выше фазовые напряжения и,
следовательно, выше вероятность образования холодных
трещин.
В зависимости от содержания серы и фосфора
углеродистые стали классифицируют на стали
обыкновенного качества и качественные.
Обыкновенного качества стали в пределах
конкретной марки стали отличаются от качественных сталей,
используемых в строительных конструкциях, содержанием:
43
- углерода в количестве ≤0,25%;
- серы ≤ 0,05%;
- фосфора ≤ 0,04%).
Для изготовления несущих (расчетных) сварных и
клепаных стальных конструкций рекомендуют стали
обыкновенного качества, содержащие ≤ 0,22%С. Так,
например это могут быть:
- кислородно-конвертерная сталь типа ВКСт3сп (а
также пс, кп);
- мартеновская сталь типа ВМСт3пс (сп, кп) ГОСТ
380-94;
- качественные стали с меньшим содержанием
вредных примесей (%) S≤0,04 и Р≤0,035 и более узким
допуском по содержанию углерода: например, стали марок
10, 15, 20 (ГОСТ1050-88).
Стали обыкновенного качества марок Ст4, Ст5
рекомендуют для сварных конструкций, воспринимающих
лишь статические нагрузки, либо для конструкций, не
имеющих сварных соединений.
Практикой доказано, что использование в
строительстве вместо углеродистых сталей более прочных
низколегированных дает возможность снизить расход
металла до 25%. Срок службы строительных конструкций из
таких сталей увеличивается в разы, что аккумулирует в себе
их более высокую стоимость, углеродистых сталей.
Согласно действующему стандарту ГОСТ 19282-90
металлургическая промышленность РФ выпускает 28 марок
низколегированной сталей. Эти стали применяют
производства не- и сварных конструкций промышленного и
гражданского строительства (в основном без
дополнительной термической обработки).
Так, в строительстве используют следующие марки
стали:
- низколегированные (09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 10Г2С,
10Г2СД, 10ХНДП, 12ГС, 14Г2;
44
- природнолегированные (15ХСНД, 10ХСНД,
18Г2АФпс,18Г2АФДпс.
Важно помнить, что стали, предназначенные для
конструкций, работающих в условиях низких температур,
динамических и вибрационных нагрузок должны иметь
высокую ударную вязкость и низкий порог перехода в
хрупкое состояние. Так, сталь 15ХСНД, содержащая никель
и медь, работает в конструкциях при температуре до -600С
без перехода в хрупкое состояние. Присутствие в стали
хрома, никеля и меди увеличивает коррозионную стойкость в
атмосферных условиях. Стали марок 14Г2АФ, 17ГГ2АФБ
(предел текучести после нормализации 450МПа за счет
присутствия в структуре карбонитридов ванадия и ниобия)
являются наследственно мелкозернистыми и также имеют
низкий порог хладноломкости.
Порог хладноломкости сталей возрастает с
увеличением их прочности. Особенно хладноломкость
проявляется при действии динамических нагрузок.
В этой связи строительные стали разделяют на стали
без гарантированной хладноломкости и стали для
металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации
при температурах ниже -400С (так называемые стали
«северного исполнения»).
Дефекты сварных соединений – это несоответствия
продукции нормативным требованиям. Влияние дефекта на
работоспособность конструкции зависит не только от самого
дефекта: его размеров, расположения, а также от свойств
материала и условий эксплуатации. Важно определить
допустимое число дефектов при сварке, т.к. изготовить
бездефектную конструкцию практически невозможно.
Дефектность в контролируемом элементе определяется
отношением суммарной площади дефектов к расчетной
площади контролируемого сечения.
Для армирования обычного и предварительно
напряженного железобетона используют гладкий или
45
периодический прокат из более прочных сталей с
повышенным содержанием углерода: 25Г2С, 30ХГСА.
Показателем свариваемости стали является так
называемый углеродный эквивалент СЭ, %:
СЭ = С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Cu/13+V/14+P/2,
где С, Mn, Si, Ni, Cr, Cu, V, P – содержание в стали
соответствующих химических элементов, % по массе.
Углеродный эквивалент строительных сталей не
должен превышать 0,45-0,48. Без ограничений свариваются
стали с СЭ≤0,25.
Важным показателем, который характеризует
эксплуатационную надежность строительной стали, является
порог хладноломкости, т.е. температура перехода стали из
вязкого состояния в хрупкое. Повышению порога
хладноломкости способствует содержащийся в стали
углерод и фосфор, причем вредное влияние фосфора
проявляется тем заметнее, чем выше содержание углерода в
стали.
Дефекты сварки термического класса: непровар,
пере- и прожог, подрез.
Непровар – частичное отсутствие сплавления
свариваемых кромок со стороны корня шва или частичное
отсутствие сплавления наплавленного металла с основным,
малый диаметр ядра; пористость – газовые пузыри в
металле; трещины; шлаковые включения.
Пережог – окисление по границам зерен.
Прожог – сквозное проплавление металла.
Подрез – углубление основного металла в месте его
перехода к поверхности шва.
Дефекты сварки термомеханического класса.
Дефекты при точечной сварке: непровар, выплеск
металла, прожог, трещины, вмятины (более 10-20% толщины
листа), раковины и пористость.
46
Дефекты при шовной сварке: негерметичность,
прожог, подплавление поверхности деталей вследствие
плохой очистки деталей и роликов.
Дефекты при стыковой сварке: смещение
свариваемых деталей, перегрев и пережог, непровар,
трещины, подгар поверхности детали в зажимах, остатки
шлака и оксидов в сварном шве, чрезмерно большое
количество выдавленного металла.
Методы контроля качества сварных соединений
бывают двух типов: разрушающие и неразрушающие.
К разрушающим методам контроля относят
технологические пробы. Для этого образцы сваривают при
тех же режимах, что и изделия, и подвергают всесторонним
механические испытаниям на твердость, ударную вязкость,
изгиб. Проводят химический анализ, металлографическое
исследование. Это позволяют косвенным образом судить о
качестве сварных соединений в изделиях.
Более точно воспроизвести характер нагружения
сварных соединений можно на модельных конструкциях или
на самих изделиях, которые выборочно подвергают
различным испытаниям вплоть до разрушения. Количество
разрушаемых изделий от партии устанавливает конструктор.
Неразрушающие методы контроля включают в себя
контроль параметров режимов сварки, некоторые испытания
свойств сварного шва без его разрушения (например,
измерение твердости, химический анализ металла шва, не
затрагивающий целостности конструкции), физические
методы контроля (дефектоскопия).
Порядок выполнения работы
1. Повторить правила техники безопасности в
лаборатории сварки.
2. Ознакомиться с методикой выполнения работы
3. Ответить на контрольные вопросы.
4. Выполнить практическое задание.
47
5. Исследовать качество сварного шва. При
обнаружении дефектов шва определить его причины,
что отразить в отчете.
6. В отчете указать и расшифровать марку стали,
подсчитать углеродный эквивалент; указать марку
электродов, электродной проволоки.
7. Указать и зарисовать тип соединения свариваемых
образцов: пластины или прокат; указать и зарисовать
вид сварного шва.
Контрольные вопросы.
1. Что является основным критерием качества сварного
шва?
2. Что может являться причиной прожога сварного шва?
3. Что может являться причиной непровара сварного
шва?
4. Что является причиной образования горячих трещин?
5. Что является причиной образования холодных
трещин?
6. Какие из перечисленных марок углеродистых сталей
обладают хорошей свариваемостью: Ст1, Ст3, Ст5, 20,
25, 30, 45. Почему?
7. Что называют углеродным эквивалентом?
8. Какие из перечисленных марок низколегированных
сталей обладают хорошей свариваемостью: 09Г2СД,
10Г2С, 10Г2СД, 10ХНДП; 12ГС, 14Г2, 15ХСНД?
Почему? Расшифруйте химический состав сталей и
подсчитайте углеродный эквивалент.
48
Лабораторная работа №5
Особенности сварки коррозионностойкой
(нержавеющей) стали
Оборудование
1. Инвертор для электродуговой ручной сварки.
2. Полуавтомат «Кристалл-ВС350» для сварки стали в
среде аргона.
3. Установка для контактной точечной сварки.
Цель работы: изучение особенности сварки образцов
легированной коррозионностойкой стали различных марок;
исследование с помощью макроанализа сварного шва для
выявления дефектов сварки и объяснения причины
возникновения дефектов.
Большое разнообразие сплавов, используемых для
создания сварных конструкций, требует правильного выбора
технологии сварки. В свою очередь, выбор технологии
сварки металлов зависит от их химического состава,
природных свойств, степени легирования и содержания
примесей.
Особенности сварки легированных сталей
По структуре в равновесном состоянии (после
отжига, т.е. нагрева до определенной температуры и
медленного охлаждения с печью) легированные стали
подразделяют на четыре класса: перлитный, ферритный,
аустенитный и ледебуритный (карбидный). По структуре при
охлаждении на воздухе (нормализации) легированные стали
подразделяют на три класса: перлитные, мартенситные и
аустенитные. Свариваемость сталей различных классов не
одинакова.
Стали перлитного класса содержат легирующие
элементы в количестве менее 3-5%. При охлаждении на
воздухе такие стали образуют структуру перлита с низкой
прочностью и высокой пластичностью. При содержании
углерода менее 0,25% они хорошо свариваются всеми
49
известными способами сварки. (См. также лабораторную
работу №5.) При содержании углерода 0,35% стали
свариваются удовлетворительно, при содержании 0,4%С
стали свариваются ограниченно, при содержании более
0,4%С стали свариваются очень плохо (при этом необходим
предварительный подогрев и последующий отжиг металла).
Высокохромистые стали в зависимости от содержания
углерода и хрома могут быть после охлаждения на воздухе
отнесены к сталям мартенситного класса (14Х17Н2),
ферритно-мартенситного (12Х13, 14Х12В2МФ), а также
ферритного (12Х17, 15Х25Т, 08Х17Т).
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного
класса при охлаждении на воздухе образуют структуру
мартенсит, которая имеет очень высокую твердость,
прочность и повышенную хрупкость. При сварке высока
вероятность появления трещин в зоне шва и околошовной
зоне. Для предотвращения возникновения трещин
применяют предварительный подогрев.
Существенным недостатком хромистых сталей
мартенситного класса является их разупрочнение в
результате сварочного нагрева. Восстановить
первоначальные свойства сталей данного класса можно
только нормализацией (или закалкой с последующим
отпуском).
Для сварки сталей мартенситного класса рекомендуют
применять дуговую, контактную, электронно-лучевую, и
лазерную сварку. При этом практикой установлено, что
лучшую свариваемость обеспечивает дуговая сварка.
Стали аустенитного класса содержат в своем составе
никель (более 9%) или марганец, способствующие
возникновению и сохранению в стали структуры аустенита
во всем интервале температур (от температуры окончания
кристаллизации из жидкого состояния до комнатной
температуры и ниже). Эти стали содержат в своем составе
более 13% хрома, что делает их коррозионностойкими
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]