Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Р.И. Дедюх
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ
ПЛАВЛЕНИЕМ
Часть II
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Издательство
Томского политехнического университета
2015
УДК 621.791.01(075.8)
ББК 34.634я73
Д70
Дедюх Р.И.
Д70 Технология сварки плавлением. Часть II: учебное пособие /
Р.И. Дедюх; Томский политехнический университет. – Томск:
Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 170 с.
В пособии изложены современные представления об основах выбора
технологии сварки плавлением сталей различных структурных классов, разнородных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов на основе алюминия,
титана и меди, тугоплавких и химически активных металлов, а также технологии наплавки слоев с особыми свойствами. Рассмотрены важнейшие проблемы формирования свойств сварных соединений при сварке указанных металлов и технологические особенности их сварки различными методами.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150700
«Машиностроение», профиль «Оборудование и технология сварочного про-
изводства». Будет полезно инженерно-техническим работникам сварочного
производства.
УДК 621.791.01(075.8)
ББК 34.634я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор
главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН
В.И. Данилов
Кандидат технических наук, доцент
директор ООО «Головной аттестационный центр
Западно-Сибирского региона НАКС»
Б.Ф. Советченко
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015
© Дедюх Р.И., 2015
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Во второй части учебного пособия приведены сведения о технологии сварки плавлением различных сталей, чугуна, цветных металлов и
их сплавов, тугоплавких и химически активных металлов, а также технологии наплавки слоев с особыми свойствами.
В ближайшей перспективе основным материалом для сварных конструкций в машиностроении и строительной индустрии будет оставаться
сталь. Тем не менее в различных областях техники в существенных
объемах находят применение алюминий и его сплавы, титан и сплавы
на его основе, медь и ее сплавы, а для изделий новой техники – молибден, цирконий, тантал, гафний и другие тугоплавкие и химически активные металлы. Кроме того, в сварных конструкциях
объемах применяют также неметаллы.
Различные материалы реагируют на изменения в зоне образования
сварного соединения по-разному, в зависимости от их химического состава, теплофизических свойств, максимальных температур нагрева, характера температурного поля, кинетики его изменения и целого ряда
других факторов, характерных для условий того или иного метода свар
ки плавлением. Оценка этих изменений позволяет наметить пути управления структурными и фазовыми превращениями и тем самым обеспечить получение сварных конструкций с заданными эксплуатационными
свойствами, не содержащих дефектов.
Современная сварочная техника располагает большим количеством
самых разнообразных методов сварки плавлением – электродуговой,
электрошлаковой, плазменной, электронно-лучевой, лазерной и другими. Ими
можно сваривать всевозможные металлы и сплавы и изготавливать из них металлические конструкции, сборочные единицы машин,
механизмов, аппаратов и других устройств как очень больших размеров
(массой в десятки и сотни тонн), так и микроскопических (когда детали
сварного соединения можно различать лишь под микроскопом).
Выбор того или иного метода сварки в
каждом конкретном случае
должен производиться с учетом ряда факторов, главными из которых
являются свойства свариваемого металла, его толщина, габариты конструкции, а также экономическая эффективность.
Из существующих методов сварки плавлением в настоящее время
наибольшее распространение получила электродуговая сварка. Причем
специалисты многих стран считают, что она сохранит приоритет в ближайшие десятилетия
. Этот метод имеет много разновидностей, отлича-
ющихся физическими и технологическими свойствами дугового разря-
все в больших
-
3
да, связанных с применяемым родом тока, свойствами электрода, видом
защиты дуги, степенью механизации и т. п.
Динамика изменения объемов применения различных видов дуговой сварки в промышленно развитых странах мира свидетельствует о
том, что во всех странах отмечается интенсивное увеличение относительного объема применения дуговой сварки в защитных газах при не
-
прерывном сокращении ручной дуговой сварки покрытым электродом.
Несколько меньшими темпами растет применение дуговой сварки порошковой проволокой. Доля сварки под флюсом практически остается
на постоянном уровне.
С учетом изложенного в данном учебном пособии при описании
технологии сварки различных металлов основное внимание уделено
применению дуговых видов сварки. При этом автор не
стремился привести все данные о сварочных материалах, режимах сварки и т. п., учитывая, что эти данные имеются в справочной литературе, а обратил основное внимание на освещение основ выбора технологии сварки того
или иного материала с учетом его важнейших проблем формирования
свойств сварного соединения.
4
1. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ
И НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
1.1. Состав и свойства сталей, основные сведения о свариваемости
Углеродистыми конструкционными (машиноподелочными, или
строительными) называют стали, в которых содержание углерода находится в пределах 0,08…0,7 %, а количество постоянных примесей не
превышает (по верхнему пределу) 0,8 % Mn; 0,35 % Si; 0,04 % P;
0,05 % S; 0,05 % O
находиться в небольшом количестве случайные примеси, попадающие в
сталь из шихтовых материалов или из скрапа.
Углерод является основным легирующим элементом в углеродистых конструкционных сталях и определяет их механические свойства.
Повышение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет
получение равнопрочного сварного соединения без дефектов.
Углеродистые конструкционные стали классифицируют по способу
изготовления, по качеству и степени раскисления стали. По качественному признаку их разделяют на две группы: обыкновенного качества и
качественные.
Стали обыкновенного качества поставляют без термообработки в
горячекатаном состоянии. По степени раскисления различают три группы сталей обыкновенного качества: кипящие (кп), полуспокойные (пс) и
спокойные
(сп). Кипящую сталь, содержащую не более 0,07 % Si, получают при неполном раскислении металла. Сталь характеризуется резко
выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной
зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и
ду в хрупкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной
стали, содержащей не менее 0,12 % Si, распределение серы и фосфора
более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью.
В сварочной технике в зависимости от содержания углерода конструкционные углеродистые стали условно
средне- и высокоуглеродистые. К низкоуглеродистым относят стали,
содержащие до 0,25 % С, к среднеуглеродистым – 0,26…0,45 % С, к
высокоуглеродистым – 0,46…0,75 % С. Последние отличаются плохой
. Помимо постоянных примесей в металле могут
2
перехо-
разделяют на низко-,
5
свариваемостью и их практически не применяют для изготовления
сварных конструкций. Температурная область применения углеродистых сталей от −40 до +425 °С, низколегированных от −70 до +475 °С.
В зависимости от назначения в соответствии с ГОСТ 380–94 стали
обыкновенного качества поставляют по трем группам: А – по механическим свойствам; Б –химическому составу; В –механическим свойствам
и химическому составу. Сталь группы А для производства сварных конструкций не используют, а сталь группы Б находит ограниченное применение. Как правило, для сварных конструкций применяют сталь
группы В всех степеней раскисления. Перед обозначением марок сталей
группы Б и В указывают их группу, например БСт3пс, ВСт3сп.
Углеродистую
качественную сталь (марки 10, 15, 20 и др.) поставляют в соответствии с ГОСТ 1050–88 и 4543–71. Она содержит пониженное количество серы. Стали этой группы применяют для изготовления конструкций в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после
нормализации или закалки с отпуском.
К легированным сталям относится широкая номенклатура кон-
струкционных сталей, в состав которых
входят легирующие элементы,
отсутствующие в углеродистых сталях, или те же марганец и кремний,
но в повышенном количестве. Легирующие элементы, вводимые в
сталь, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, изменяют ее
свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности,
снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность
снизить массу конструкции.
Легированные стали классифицируются по следующим основным
признакам: химическому составу, структуре, свойствам и назначению.
По химическому составу их разделяют на три группы: низко-, средне- и
высоколегированные. По структуре, полученной при охлаждении на
воздухе после нагрева до 920 °С, легированные стали бывают ферритноперлитными, перлитными, бейнитными, мартенситными, ферритными и
аустенитными. По свойствам они
подразделяются: на стали нормальной
и повышенной прочности, хладостойкие, теплоустойчивые, коррозионно-стойкие и другие. По назначению легированные стали классифицируются на две основные группы: строительные, применяемые для изготовления сварных конструкций, и машиностроительные, предназначенные, главным образом, для производства деталей машин и механизмов,
корпусных и других конструкций.
Свариваемость низкоуглеродистых сталей.
Низкоуглеродистые
нелегированные стали имеют достаточно хороший комплекс свойств,
позволяющий при сварке получать равнопрочные основному металлу
сварные соединения. Их применяют при изготовлении металлических
6
строительных конструкций, корпусов судов, конструкций нефтяной и
газовой промышленности и т. д. Эти стали малочувствительны к скорости охлаждения и практически не закаливаются с получением мартенситной структуры. Поэтому в условиях сварочных скоростей охлаждения их свойства по сравнению с горячекатаным состоянием изменяются
незначительно. В зонах теплового влияния сварных соединений ощути
-
мого повышения твердости не наблюдается. Как правило, твердость зоны термического влияния у низкоуглеродистых нелегированных сталей
не превышает 180 HB.
Склонность к образованию горячих и холодных трещин у этих сталей практически отсутствует. Поэтому изделия из указанных сталей
свариваются без осложнений различными методами сварки как при малых, так и при
больших значениях погонной энергии. Лишь при сварке
изделий больших толщин (35…40 мм и больше), особенно в условиях
низких температур (ниже –10 °С), в связи с увеличением уровня сварочных напряжений прилегающие к свариваемым кромкам участки рекомендуется подогреть до температуры 100 °С.
Свойства сварных соединений низкоуглеродистых нелегированных
сталей в основном определяются степенью огрубления структуры
металла околошовной зоны и шва. Металл шва при обычных для сварки
скоростях охлаждения, как правило, имеет крупнозернистую ферритноперлитную или сорбитообразную структуру. В наибольшей степени
крупнозернистость структуры металла шва проявляется при электрошлакой сварке, меньше при газовой сварке и еще меньше при дуговых
способах сварки.
Зона термического влияния при
сварке низкоуглеродистых сталей
может быть охарактеризована в связи с диаграммой состояния Fe–C и
кинетическими зависимостями распада аустенита при охлаждении.
Схема строения зоны термического влияния сварного соединения и ее
структурные участки на низкоуглеродистых сталях при дуговой однослойной сварке приведены на рис. 1.
На участке неполного расплавления (зона сплавления) металл
нагревается в интервале температур
между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному оплавлению зерен металла, облегчающему развитие крупного зерна. Этот интервал температур у низкоуглеродистых сталей невелик (около 30…40 °С). Поэтому зона сплавления
представляет собой узкую полоску металла, шириной 0,08…0,10 мм при
дуговой сварке и около 0,15…0,20 мм при электрошлаковой и газовой
методах сварки.
В процессе взаимодействия оплавленных зерен основного металла с расплавленным металлом сварочной ванны развивается
ликвационный процесс диффузионного перераспределения примесей и
7
происходит непосредственное сращивание кристаллов шва с зерном основного металла. Свойства этого участка зачастую определяют качество
сварного соединения. Структура ферритно-перлитная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками.
Рис. 1. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения
при дуговой сварке низкоуглеродистых сталей
На участке перегрева металл нагревается в интервале максимальных температур от 1100…1150 °С до температур линии солидуса.
В этих условиях зерно аустенита успевает сильно вырасти, а последующая перекристаллизация при охлаждении не дает его заметного измельчения. Феррит окружает укрупненные перлитные зерна своеобразной
каймой, причем иногда здесь вследствие перегрева после охлаждения
образуется
неблагоприятная видманштеттовая структура, способствующая охрупчиванию металла. Металл участка перегрева вследствие
крупнозернистого строения характеризуется ухудшенными механическими свойствами (прочностью, пластичностью). Поэтому чем меньше
этот участок, тем выше качество сварного соединения.
На участке нормализации металл нагревается от температуры точ-
ки Ас
до температуры 1150 °С. В этом интервале максимальных темпе-
3
ратур зерно аустенита вырасти не успевает. Поэтому последующая перекристаллизация металла при охлаждении приводит к образованию
мелкозернистой ферритно-перлитной структуры с высокими механическими свойствами.
8
На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до
максимальных температур между точками Ас
и Ас3, поэтому данный
1
участок характеризуется почти неизменившимися исходными зернами
феррита, не прошедшими перекристаллизацию, и расположенными вокруг них колониями мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в
результате перекристаллизации. Механические свойства этого участка
хуже, чем свойства участка нормализации.
Участок рекристаллизации наблюдается при сварке металла, под-
вергшегося до сварки холодной обработке давлением (холодной
прокатке, гибке, штамповке и т. д.). При нагреве такого металла в интервале максимальных температур от 500…550 °С до температуры точки Ас
1
в нем происходят процессы рекристаллизации, которые могут несколько снизить механические свойства металла этого участка вследствие
разупрочнения из-за снятия наклепа. Если свариваемая сталь до сварки
не подвергалась пластической деформации (горячекатаная или
отожженная сталь), то на этом участке никаких структурных изменений
не происходит.
При нагреве металла от 100 до 500 °С (участок
возврата и старе-
ния) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых измене-
ний. Однако на этом участке может иметь место снижение пластичности, главным образом ударной вязкости, вызванное процессами старения металла. У некоторых сталей, содержащих повышенное количество
кислорода и азота (обычно кипящих), нагрев до температуры
150…350 °С сопровождается резким
снижением ударной вязкости и со-
противляемости разрушению.
Ширина различных участков зоны термического влияния определяется способом и режимом сварки и в некоторой степени зависит от
толщины свариваемого металла.
Свариваемость низкоуглеродистых низколегированных сталей.
Эти стали применяются в различных конструкциях взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20…50 %. Они широко
используются в строительстве
трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений. Поставляют их преимущественно в горячекатаном виде.
Содержание углерода в низколегированных сталях не превышает
0,23 %. В зависимости от легирующих элементов, суммарное содержание которых в составе стали не превышает 4,0 %, различают марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцовистые и другие стали. Легирующие элементы растворяются
в феррите, упрочняют
его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики
повышаются и предел прочности достигает величины 550 МПа. Нали-
9
чие повышенного содержания марганца в этих сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3…0,4 %) повышает стойкость стали против атмосферной
коррозии и коррозии в морской воде.
По своей свариваемости стали этой группы мало отличаются от не-
легированных низкоуглеродистых сталей. Аналогичны им
по свариваемости стали низколегированные марок 09Г2 и 09Г2С. Повышенное содержание марганца в этих сталях снижает критическую скорость охлаждения, однако пониженное содержание углерода в них предопределяет
практически отсутствие появления закалочных структур при сварке.
Несколько иначе ведут себя при сварке стали 10Г2С1, 10ХСНД,
15ХСНД, 17ГС и им
аналогичные. У этих сталей при высоких скоростях
охлаждения в околошовной зоне могут появиться неравновесные структуры закалочного характера. Поэтому рассматриваемая группа низколегированных сталей требует ограничений условий ведения сварочного
процесса. Сварку таких сталей лучше выполнять либо при повышенных
значениях погонной энергии без подогрева, либо с небольшим подогревом при умеренных
значениях погонной энергии. Указанные ограничения по условиям сварки касаются в основном металла, толщиной более
25…30 мм. При малых толщинах, даже если в околошовной зоне образуется мартенсит, то его количество настолько мало, что влияния на
свойства металла практически не оказывает. Твердость участков зоны
термического влияния сварных соединений этих сталей не
превышает
220 НВ.
Большего внимания требует сварка низколегированных сталей с
карбонитридным упрочнением (например, марок 14Г2АФ, 16Г2АФ,
18Г2АФ и др.). Принцип легирования этих сталей и создания в них повышенной прочности и вязкости основан на образовании дисперсной
упрочняющей фазы на базе имеющихся в стали микролегирующих элементов (V, Nb, N, Ti и др
.) и получении очень мелкого зерна за счет
ограничивающих его рост не растворяющихся при нагреве нитридов и
карбонитридов. Последние служат также центрами превращения во
время перекристаллизации при охлаждении. Упрочняющая дисперсная
карбонитридная или нитридная фаза выделяется и упрочняет феррит в
процессе охлаждения, повышая прочность металла, а получение мелкого зерна (балл 10…12) способствует
повышению его вязкости и хладо-
стойкости.
Условия обеспечения высокой прочности и вязкости требуют сохранения упрочняющей фазы в дисперсном состоянии и сохранения
мелкого зерна. Повышение погонной энергии при сварке и соответ-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]