Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
Устойчивость электрошлакового процесса, форма шва и глубина
проплавления основного металла зависят от параметров режима сварки.
Основными параметрами являются сила сварочного тока, напряжение
на шлаковой ванне и скорость сварки, скорость подачи электродов и ряд
вспомогательных параметров (количество электродов, расстояние между электродами, зазор между кромками, глубина шлаковой ванны, сухой
вылет электрода,
сечение электродов и др.). Число электродных проволок, их диаметр и сечение пластинчатых электродов или плавящихся
мундштуков, скорость их подачи и другие параметры выбирают таким
образом, чтобы получить скорость сварки и напряжение процесса, обеспечивающие его устойчивость и требуемые размеры и форму шва. Ориентировочные значения основных параметров режима приведены в
табл. 4.
Таблица 4
Режимы электрошлаковой сварки низкоуглеродистых сталей
Толщи-
на металла,
мм
70
90
150
200
250
340
100
200
300
Зазор,
мм
28
26
29
30
30
31
Сила то-
ка на
один
электрод,
А
640…660
660…620
450…500
550
500…550
400…450
1100
1100
1650
Напря-
жение
сварки,
В
Проволочный электрод
46…48
42…46
44…50
46…48
50…550
46…48
Пластинчатый электрод
28…30
28…30
30…32
Чис-
ло
элек
тро-
дов
1
2
2
2
2
3
1
2
3
Диаметр
(сечение)
электро-
дов, мм
3
3
3
3
3
3
10×90
10×90
10×135
Расстоя-
ние меж-
ду элек-
тродами,
мм
–
45…50
65
90
125
110
–
–
–
Ско-
рость
подачи
электро-
дов, м/ч
385
300
230
250
240
210
1,6
1,6
1,6
Ско-
рость
сварки,
м/ч
1,1
1,6
0,85
0,5
0,45
0,3
0,5
0,5
0,45
Глубина шлаковой ванны в зависимости от силы сварочного тока
изменяется от 25 до 70 мм, скорость возвратно-поступательного движения электрода – 25…40 м/ч, «сухой» вылет электрода – 60…80 мм.
В процессе ЭШС металл шва и околошовной зоны находится длительное время при высокой температуре и подвергается значительному
перегреву. Это часто приводит к образованию неблагоприятных, круп
нозернистых структур, вызывающих ухудшение механических свойств
(пластичности, стойкости против перехода в хрупкое состояние) по
сравнению с исходными свойствами основного металла.
21
Отрицательное влияние перегрева металла шва и околошовной зоны устраняют, как правило, путем сложной (иногда многоступенчатой)
последующей высокотемпературной термообработки, позволяющей измельчить вторичную структуру и уменьшить остаточные напряжения в
сварном соединении. Ответственные сварные конструкции из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, выполненные ЭШС, обычно подвергают нормализации с высоким отпуском, что существенно
увеличивает трудоемкость технологии изготовления конструкции. Поэтому изыскиваются приемы снижения степени перегрева металла при
ЭШС.
Для снижения длительности пребывания металла при высоких температурах в шлаковую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкообразного материала (рубленая проволока с гранулами 0,2…1,6 мм),
применяют способы сварки модулированным током или производят соответствующее принудительное
охлаждение поверхности шва и околошовной зоны паровоздушной смесью. В некоторых случаях эти приемы
могут обеспечить требуемые свойства сварных соединений без последующей высокотемпературной термообработки сварного изделия. Однако проблема снижения степени перегрева металла в зоне термического влияния остается в ряду ключевых в технологии ЭШС.
Вопросы для самопроверки
1. Какую группу сталей относят к углеродистым конструкционным ста-
лям? По какому признаку их классифицируют в сварочной технике?
2. Какова чувствительность низкоуглеродистых сталей к термическому
циклу сварки? Из каких участков состоит зона термического влияния при
сварке низкоуглеродистых сталей, какова структура этих участков?
3. Какие стали называют легированными? Как они классифицируются по
степени
ковы свойства и свариваемость этих сталей?
тродами, в защитных газах и порошковой проволокой.
легирования и структурному состоянию?
5. Какие стали относят к низколегированным низкоуглеродистым? Ка-
6. Назовите особенности технологии дуговой сварки покрытыми элек-
7. Техника и технология сварки под флюсом и электрошлаковой сварки.
22
2. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКО-
И СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ СТАЛЕЙ
2.1. Состав и свойства сталей, основные сведения о свариваемости
Для изготовления различных изделий в машиностроении используют также углеродистые и низколегированные стали, содержание углерода в которых увеличено по сравнению с его содержанием в низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталях общего
назначения. Эти конструкционные машиностроительные стали применяют, как правило, после
состоянии. В зависимости от режима термообработки временное сопротивление этих сталей составляет 600…1500 МПа. Содержание углерода
в них равно 0,25…0,5 % при суммарном легировании до 3…4 %. Примерами марок низколегированных сталей этой группы могут служить
35Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 50Г2, 30ХГТ, 30ХГНА, 30ХГСА и другие. По
чувствительности
группе можно отнести углеродистые стали марок 30, 35, 40, 45, 50 и
другие, а также низколегированные теплоустойчивые хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали, которые длительное время сохраняют высокие прочностные свойства при работе в условиях повышенных температур (450…600 °С), оцениваемые пределом ползучести и
длительной прочности. Примерами их могут быть хромомолибденовые
стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ, предназначенные для работы при
450…550 °С, и хромомолибденованадиевые – 12Х1МФ, 20ХМФЛ,
15Х1М1ФЛ и др., предназначенные для работы при 550…600 °С. Эти
стали используют в основном в энергетическом, химическом и нефтехимическом машиностроении. Так, например, литейные стали 20ХМФЛ
и 15Х1М1ФЛ применяют для отливки корпусов
матуры, а деформируемые стали 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф –
для изготовления корпусов аппаратов, технологических трубопроводов,
паропроводов и поверхностей нагрева котлов.
Для изготовления сосудов высокого давления, тяжело нагруженных машиностроительных изделий и других ответственных конструкций используют среднелегированные высокопрочные стали, которые
после соответствующей термической обработки (закалки
обладают временным сопротивлением 1000…2000 МПа при достаточно
высоком уровне пластичности. Для сталей этой группы характерно содержание углерода до 0,5 % при комплексном легировании в сумме
5…10 %. Примерами этой группы сталей могут быть стали марок
к термодеформационному циклу сварки к этой же
закалки с отпуском и реже в нормализованном
турбин и запорной ар-
с отпуском)
23
30ХГСНА, 30Х2ГСНВМА, 42Х2ГСНМА, 40ХГСН3МА, 33Х3НВФМА,
43Х3СНВФМА и др. Кроме названной группы сталей, в промышленно-
сти все более широкое применение находят стали с таким же уровнем
прочности, но со значительно меньшим содержанием углерода
(0,12…0,17 %), что существенно улучшает их свариваемость.
Среднеуглеродистые низко- и среднелегированные стали для сварных конструкций, в основном, относятся к перлитному классу. Однако
некоторые стали этой группы, содержащие 5…6 % и более легирующих
элементов, относятся к мартенситному классу.
Свариваемость закаливающихся сталей. Основными причинами, снижающими свариваемость среднеуглеродистых низко- и среднелегированных сталей, являются:
1) высокая склонность к образованию холодных трещин из-за по-
вышенного содержания углерода, легирующих
элементов и воздействия
водорода;
2) трудность получения равнопрочных сварных соединений;
3) пониженная стойкость металла шва к образованию кристаллиза-
ционных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и
воздействием серы.
Методы предупреждения возникновения кристаллизационных
трещин в металле шва при сварке этой группы сталей мало отличаются
от применяющихся при сварке углеродистых сталей. Для этого часто
идут по пути некоторого ограничения содержания в шве углерода и
кремния, уменьшающих стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, и замены их такими элементами, как марганец, хром,
молибден, ванадий и др., увеличивающих эту стойкость. При этом вместе с тщательным выбором композиции шва осуществляют его рафинирование и модификацию. Одновременно используют
и технологические
меры, применяя режимы, обеспечивающие высокий коэффициент формы провара, а также меры по снижению темпа нарастания сварочных
деформаций.
Получение равнопрочных сварных соединений из высокопрочных
низко- и среднелегированных сталей – не менее важная проблема их
свариваемости. Трудность получения металла шва, околошовной зоны и
сварного соединения в целом с механическими свойствами,
равноценными или близкими к свойствам основного металла, обусловлена высокими механическими свойствами этих сталей и высокой чувствительностью к сварочному термическому циклу.
Общая схема изменения свойств металла сварного соединения в
случае сварки закаливающихся сталей изображена на рис. 2. Сварное
соединение включает следующие зоны и участки: 1 – сварной шов, 2 –
24
участок закалки, 3 – участок неполной (частичной) закалки, 4 и 5 –
участки отпуска и разупрочнения, 6 – основной металл. В сталях этого
типа участок основного металла 2, нагревающийся при сварке выше
температуры точки Ас
, в результате последующего достаточно быстро-
3
го охлаждения приобретает структуру закалки. В зависимости от состава стали, условий охлаждения металла конечная структура этого участка может быть получена либо полностью мартенситной, либо смешанной с тем или иным количеством более стабильных продуктов распада
аустенита. Причем в этом случае структура участка от
ления до температуры точки Ас
будет неодинаковой. Распад перегрето-
3
границы сплав-
го аустенита (т. е. участка металла, прилегающего к границе сплавления
и нагревавшегося при сварке выше 1100 °С) приводит к образованию
более крупнозернистого, крупноигольчатого мартенсита, чем на участке
металла, нагревавшегося при сварке только несколько выше температуры точки Ас
. При этом, чем выше содержание углерода в стали, тем
3
выше степень тетрагональности решетки мартенсита и выше его твердость, вместо пакетного дислокационного мартенсита образуется двойниковый пластинчатый мартенсит, который более склонен к образованию холодных трещин, чем пакетный. Структура зоны сплавления в
связи с тем, что ее состав весьма близок
к составу основного металла,
является почти такой же, как структура участка перегрева.
Рис. 2. Схема изменения свойств сварного соединения закаливающейся стали:
I – исходный материал в состоянии после высокого отпуска;
II – то же после низкого отпуска; III – то же после закалки
25
Участок зоны термического влияния 3, который при сварке нагревался до максимальных температур между точками Ас
и Ас3, после
1
охлаждения получает структуру частичной закалки. Поэтому твердость
металла этого участка снижается по мере уменьшения максимальной
температуры нагрева.
Структура рассмотренных участков 2 и 3 зоны термического влияния практически не зависит от исходного состояния металла перед
сваркой. В то же время участки 4 и 5 зоны, нагревавшиеся до максимальной температуры
ниже точки Ас1, по своей структуре и свойствам
могут быть различными для металла, поступившего на сварку в закаленном, высоко- или низкоотпущенном состояниях. Для металла, находящегося в закаленном исходном состоянии, участки 4 и 5 получат отпуск при различных температурах и выдержках. Так, участок, прилегающий к участку частичной закалки, получит кратковременный высокий
отпуск. Он обычно характеризуется структурой сорбита отпуска. По
мере удаления от участка частичной закалки температура отпуска снижается и уменьшается общая продолжительность выдержки при повышенных температурах. Поэтому степень отпуска закаленного металла
снижается и твердость сохраняется повышенной, в итоге в структуре
исчезает сорбит отпуска и остается мартенсит. Этот участок ограничивается
областью максимальной температуры 200…250 °С.
Для закаленного и отпущенного перед сваркой металла нижняя
граница изменения структуры и свойств практически определяется температурой предварительного отпуска. В области, где металл при сварке
нагревался ниже температуры отпуска, никаких изменений свойств не
происходит. В области, нагревавшейся выше этой температуры, изменение структуры и свойств подобно
рассмотренному для закаленного
металла.
Обеспечить равнопрочность и высокую работоспособность сварных соединений при сварке закаливающихся сталей без последующей
полной термической обработки достаточно сложно. Прочность сварного
соединения, не подвергнутого термической обработке после сварки, зависит от того, насколько изменяется структура и прочность основного
металла в зоне термического влияния и металла шва под
влиянием
нагрева при сварке. Наименее прочной при этом является зона высокого
отпуска. Прочность металла в этой зоне и ее ширина зависят от марки
стали и применяемой технологии сварки. Чем более теплоустойчивая
сталь и меньше тепловложение при сварке, тем уже участок разупрочнения металла и меньше степень его разупрочнения.
Прочность в
зоне закалки определяется не столько пределом проч-
ности, сколько пластическими и вязкими ее свойствами, чувствительно-
26
стью металла к хрупкому разрушению. Среднеуглеродистые низко- и
среднелегированные стали в связи с повышенным содержанием углерода, а также увеличенной степенью легирования обладают высокой чувствительностью к термическому циклу сварки. Поэтому при режимах
сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва, в
околошовной зоне, как правило, образуются хрупкие закалочные структуры, которые в условиях
сложнонапряженного состояния часто приводят к образованию холодных трещин. Для их исключения усложняют
технологию сварки закаливающихся сталей. Наиболее простой и эффективный способ повышения стойкости сварных соединений против образования холодных трещин заключается в регулировании сварочного
термического цикла путем выбора соответствующих способов и режимов сварки, а также использования в
необходимых случаях предвари-
тельного или сопутствующего подогрева.
Рис. 3. Сварочные термические циклы:
а – идеальный; б – при электродуговой сварке; в – при электронно-лучевой сварке
Для многих марок закаливающихся сталей определение оптимальных режимов позволяет резко повысить стойкость сварных соединений
против образования холодных трещин и в ряде случаев полностью
устранить их возникновение. Идеальный термический цикл, обеспечивающий наиболее высокую стойкость сварного соединения против образования холодных трещин, приведен на рис. 3. Однако практическое
осуществление циклов, близких к
идеальному, при дуговой сварке сопряжено с применением весьма малопроизводительных режимов, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов. Осуществление идеального цикла требует больших затрат труда и средств. При
электрошлаковой сварке этот цикл вовсе неосуществим. Поэтому изыскивают более производительные и менее дорогие методы борьбы с холодными трещинами, чем получение
идеального сварочного термиче-
ского цикла.
27
Так, например, в случае сварки сравнительно низколегированных
сталей типа 34ХМ и др. наиболее просто и экономично можно исключить образование в сварных соединениях холодных трещин повышением погонной энергии сварки q/υ. При этом замедление охлаждения
сварного соединения ниже точки А
сопровождается смещением пре-
1
вращения переохлажденного аустенита в область высоких температур,
что приводит к образованию структуры металла, не склонной к образованию холодных трещин. Для сталей этого типа благоприятное влияние
изменений в ходе превращения переохлажденного аустенита преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева
в околошовной зоне при повышении погонной энергии.
же стойкость сварных соединений против образования холод-
Если
ных трещин настолько низка, что избежать их появления путем соответствующего выбора режима сварки не удается, в отдельных случаях прибегают к регулированию термического цикла путем предварительного и
сопутствующих подогревов свариваемых кромок. Особо высокую стойкость против образования холодных трещин можно получить, применяя
предварительный подогрев до температуры 200…300 °С и режимы
сварки с низкой погонной энергией. Соблюдение этих условий приближает реальный термический цикл сварки к идеальному. Однако для
большинства широко применяемых среднеуглеродистых низко- и
среднелегированных сталей даже большой толщины достаточную стойкость против образования холодных трещин можно получить при использовании подогрева до температуры
150…200 °С и умеренных режимов сварки. В ряде случаев при сварке металла средних и больших
толщин образование холодных трещин можно предотвратить путем
разогрева области шва до температуры 100…150 °С в процессе многослойной сварки с минимальными перерывами между наложением слоев.
Для низкоуглеродистых среднелегированных сталей при сварке в
широком диапазоне режимов характерно
превращение в области нижнего бейнита, а затем мартенсита. Поэтому при их сварке для предотвращения образования холодных трещин рекомендуется умеренный подогрев до температуры 100…150 °С, не вызывающий существенного
возрастания времени пребывания металла зоны при температурах перегрева, но обеспечивающий требуемую скорость охлаждения ω
для
6/5
бейнитного превращения при возможно более высоких температурах.
Для среднеуглеродистых среднелегированных сталей, содержащих
карбидообразующие элементы, при сварке в широком диапазоне режимов характерно мартенситное превращение. Для этих сталей важным
являются значения времени пребывания металла зоны при температурах
перегрева, поскольку гомогенизация аустенита и рост зерна в связи с
28
наличием специальных карбидов в исходной структуре замедлены и их
можно регулировать с помощью режима сварки. Поэтому для получения благоприятной структуры при сварке этих сталей эффективно снижение q/υ путем применения методов сварки с высокой концентрацией
энергии (плазменной, электронно-лучевой и лазерной) или перехода на
многослойную электродуговую сварку короткими участками
.
Рис. 4. Термический цикл точек околошовной зоны
при многослойной сварке короткими участками:
а – термический цикл точки 1; б – термический цикл точки 2
Особенность термического цикла многослойной сварки короткими
участками состоит в том, что тепловые воздействия последовательно
навариваемых коротких слоев складываются и замедляют скорость
охлаждения отдельного слоя, образуя сложный термический цикл
(рис. 4). Так, теплота второго и последующих заполняющих слоев шва
не позволяет металлу околошовной зоны первого корневого слоя шва
охладиться ниже определенной температуры.
При сварке корневого
слоя шва температура точки 1 околошовной зоны резко возрастает, превышая температуру точки Ас
, а затем резко падает (см. рис. 4, а). В мо-
3
мент, когда температура в точке 1 понизится до допустимого значения
(Тв > М – точки начала мартенситного превращения), тепловая волна
Т
в
от наложения второго слоя осуществит повторный нагрев металла околошовной зоны в этой точке, но до температуры более низкой, чем при
сварке первого слоя. При сварке последующих слоев снова происходит
некоторый подогрев, причем по мере их выполнения температурные
воздействия ослабевают и процесс стремится
к установившемуся температурному состоянию. По окончании процесса сварки металл околошовной зоны медленно охлаждается. При этом длительность t
вания металла околошовной зоны выше температуры Т
соответствует
в
пребы-
в
условиям завершения распада аустенита.
29
На рис. 4, б показано изменение температуры в точке 2, находящейся у поверхности листов. При выполнении каждого последующего
слоя температура в точке 2 нарастает. При выполнении последнего слоя
достигает максимума с превышением температуры точки Ас
этого начинает снижаться. По прошествии t
талла в интервале температур Ас
…М) температура точки 2 снижается
3
(времени пребывания ме-
в
и после
3
до температуры мартенситного превращения и, если за это время не
успеет произойти распад аустенита, то образуется мартенситная структура.
Для увеличения времени пребывания металла околошовной зоны
при температуре выше точки М начала мартенситного превращения
накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого
уже границ металла шва и
калке металл околошовной зоны до температуры выше точки Ас
тем самым не нагревают подверженный за-
3
Наплавка отжигающего валика увеличивает время пребывания металла
околошовной зоны в субкритическом интервале температур с t
до t´в.
в
Режим многослойной сварки короткими участками характеризуется
в основном двумя независимыми параметрами – погонной энергией q/υ
(сечением слоя) и длиной l участка, поэтому он более гибок, чем режим
однопроходной сварки.
Длину свариваемого участка выбирают из условия, чтобы температура Т
околошовной зоны корневого слоя шва к моменту наложения
в
тепловой волны следующего слоя не падала ниже точки М начала мартенситного превращения (200…350 °С) или ниже температуры, при которой наиболее вероятно образование холодных трещин (60…150 °С).
Наряду с потерей пластичности металлом околошовной зоны из-за
резкой подкалки или чрезмерного роста зерна на
образование холодных
трещин при сварке закаливающихся, особенно среднелегированных высокопрочных сталей, оказывает попадающий в металл водород. Поэтому для сталей рассматриваемого типа при сварке необходимо принимать меры по предупреждению попадания водорода в зону сварки. Для
этого следует использовать низководородистые сварочные материалы,
высокотемпературную их прокалку, тщательно зачищать свариваемые
кромки и присадочный
металл от ржавчины, масел и других загрязнений. Целесообразна также термическая обработка после сварки, чаще
всего высокий отпуск, позволяющий одновременно привести к распаду
мартенсита, к полному снижению сварочных напряжений и к выходу
водорода из сварного соединения. Во всех случаях термическую обработку сварных соединений, выполненных из среднеуглеродистых легированных сталей,
следует производить своевременно, т. е. в период от
окончания сварки до возможного появления холодных трещин. В зави-
.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]