Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
симости от состава стали, типа соединения, технологии сварки и других
факторов этот период может длиться от нескольких минут до десятка
часов.
При сварке термоулучшенных среднеуглеродистых легированных
сталей еще в большей мере, чем при сварке термоулучшенных низкоуглеродистых сталей, происходит разупрочнение участков зоны термического влияния. Устранить его может только общая термическая
обработка всего сварного изделия (закалка и отпуск). Общий или местный
отпуск, естественно, не повышает прочности разупрочненной зоны.
При изготовлении из среднелегированных сталей особо ответственных конструкций, для которых последующая термическая обработка недопустима, выполняют сварные соединения по варианту, при
котором обеспечивают получение металла шва с аустенитной структурой, а
для равнопрочности с основным металлом увеличивают сечение
шва. При этом сварку выполняют без предварительного и сопутствующего подогревов. В этом случае металл шва, отличаясь по химическому
составу от основного металла, обладает очень высокой пластичностью и
вязкостью и сохраняет высокую деформационную способность как при
низкой температуре, так и при ударном приложении нагрузки
. Наряду с
большой деформационной способностью таких швов наблюдается повышенная стойкость околошовной зоны к образованию холодных трещин, в особенности типа отколов.
Выбор технологических условий сварки среднеуглеродистых низко- и среднелегированных сталей зависит от многих параметров: состава стали, жесткости конструкции, толщины свариваемого металла, температуры окружающего воздуха и т.
п. Поэтому в каждом конкретном
случае выбирают и технологические условия их сварки. Стали рассматриваемой группы относятся к наиболее трудносвариваемым.
2.2. Технология сварки закаливающихся сталей
Основными способами сварки закаливающихся сталей являются
дуговая сварка покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом. Соединения толстолистовых конструкций наиболее целесообразно
выполнять электрошлаковой сваркой. Перспективным
методом соединения конструкций из закаливающихся сталей является также электронно-лучевая сварка.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктив-
ные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки покрытыми электродами такие же, как и для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5264–80.
31
Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности электродами с основным видом покрытия, подвергнутых высокотемпературной
прокалке (низководородистые электроды). Для устранения других источников, снабжающих атмосферу дуги водородом, перед сваркой осуществляют очистку свариваемых кромок от ржавчины, масла и других
загрязнений.
В зависимости от химсостава, прочности и пластичности сварива-
емой стали,
а также условий эксплуатации сварных конструкций выбирают ту или иную марку электродов. Так, для сварки низколегированных теплоустойчивых сталей типа 12МХ выбирают электроды типа Э-
09МХ (марок ОЗЛ-11, ЦЛ-38, ТМЛ-1У, ЦУ-2ХМ), для сталей 12Х1МФ,
15Х1М1Ф, 20ХМФЛ – электроды типа Э-09Х1МФ (марок ЦЛ-39,
-20, ТМЛ-3У) и др., ГОСТ 9467–75.
ЦЛ
Для предотвращения образования холодных трещин сварку ведут
при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным местным или общим подогревом (Т = 150…450 °С). После сварки
большинство сварных конструкций подвергают термической обработке,
так как без нее сварные соединения не обладают эксплуатационной
надежностью ввиду структурной неоднородности и
наличия остаточных
сварочных напряжений. Исключение составляют сварные соединения из
хромомолибденовых сталей толщиной менее 10 мм и из хромомолибденованадиевых сталей при толщине менее 6 мм.
В качестве термообработки после сварки используют обычно высокий отпуск (Т = 680…730 °С). Его преимущества заключаются в том,
что он может быть использован в качестве местной термообработки.
Отпуск
стабилизирует структуру (твердость) сварного соединения и
снижает остаточные напряжения. Недостатком отпуска является невозможность полного выравнивания структуры (устранение разупрочненной прослойки). Последнее может быть достигнуто применением полной печной термообработки всей конструкции, что в большинстве случаев невозможно.
В отдельных случаях, когда невозможны подогрев свариваемых
изделий и последующая термообработка, применяют электроды
на никелевой основе ЦТ-36 (тип Э-08Н60Г7М7Т) ГОСТ 10052–75, обеспечивающие наплавленный металл аустенитной структуры.
Ручная дуговая сварка является распространенным способом сварки низко- и среднелегированных высокопрочных сталей. Используют в
основном электроды с основным видом покрытия. В зависимости от
марки стали, требований, предъявляемым к металлу шва и
технологии
сварки, используют электроды марок: АНП-1, АНП-2 (тип Э-70) для
сварки сталей 14Х2ГМР, 14ХМНДФР и др.; НИАТ-3М, УОНИ-13/85,
32
ЦЛ-18 (тип Э-85) – для сталей 30ХГСА, 30ХГСНА и др.; ВИ-10-6,
УОНИ-13/18ХГС (тип Э-100) – для сталей 30ХСНВФА и др.; НИИ-3М
(тип Э-125) – для сталей 30ХГСН2А, 40ХН2СВА и др.; НИИ-3, НИАТ-3
(тип Э-150) – для сталей 30ХГСНА и др., обрабатываемых термически
2
на прочность 1470 МПА (150 кгс/мм
) ГОСТ 9467–75. После сварки
применяют полную термическую обработку – закалку и отпуск. При
невозможности ее выполнения сварку выполняют в термически обработанном состоянии без последующей термообработки электродами,
обеспечивающими получение аустенитного металла шва: НИАТ-5,
ЦТ-10 (тип Э-11Х15Н25М6АГ2) ГОСТ 10052–75.
Сварка в защитных газах. Этот процесс находит широкое приме-
нение при
изготовлении как тонколистовых конструкций из низко- и
среднелегированных высокопрочных сталей, так и конструкций из металла средней и большой толщины. Конструктивные элементы подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в
соответствии с требованиями ГОСТ 14771–76. В зависимости от разновидностей способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна
быть различной.
При сварке теплоустойчивых сталей используют в основном два
способа сварки в защитных газах: аргонодуговую сварку неплавящимся
вольфрамовым электродом и дуговую сварку плавящимся электродом в
среде СО
.
2
Ручную аргонодуговую сварку применяют как в заводских, так и в
монтажных условиях при сварке корневых слоев кольцевых швов труб
поверхностей нагрева котлов и паропроводов, когда сварку осуществляют без подкладных колец. Автоматическую сварку используют главным образом для сварки неповоротных стыков паропроводов в условиях
монтажа. При этом для сварки хромомолибденовых
сталей применяют
присадочные проволоки Св-08ХМ, Св-08ХГСМА, а для сварки хромомолибденованадиевых сталей – Св-08ХМФА и Св-08ХГСМФА.
При сварке в углекислом газе в составе проволоки обязательно,
кроме легирующих элементов, должны присутствовать элементыраскислители – кремний и марганец (иногда титан). Поэтому при сварке
хромомолибденовых сталей применяют сварочную проволоку
Св-08ХГСМА, а
для сварки хромомолибденованадиевых сталей – про-
волоку Св-08ХГСМФА.
К технологическим особенностям сварки закаливающихся высокопрочных сталей в защитных газах следует отнести тщательную осушку
газа с целью предельного снижения содержания водорода в металле
шва, а также использование режимов и техники сварки, обеспечивающих понижение скорости остывания сварных соединений. Эти меры
33
необходимы для повышения стойкости сварных соединений против образования трещин. В качестве защитных газов применяют преимущественно CО
и Аr, а также смесь Ar + CО2.
2
Сварку в Аr производят неплавящимся вольфрамовым электродом
и в меньшей мере – плавящимся электродом, в основном для изготовления ответственных конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Сварку в СО
и смеси Аr +СО2, как правило, осуществляют
2
плавящимся электродом. При этом для сварки используют проволоки
Св-10ГСМТ, Св-10ХГСН2МТ, Св-08Х3Г2СМ и др. Режимы сварки выбирают обычно такие же, как и для низколегированных сталей. Металл
толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок за один проход, а
толщиной более 4 мм – с
разделкой кромок за несколько проходов.
Сварку металла толщиной до 10 мм выполняют без предварительного
подогрева, а более 10 мм – с предварительным подогревом.
Иногда для исключения подогрева и термообработки при сварке
среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными газами) используют низкоуглеродистые легированные проволоки, например
Св-03ХГН3МД или аустенитные высоколегированные – Св-08Х20Н9Г7Т,
Св-08Х21Н10Г6, Св-10Х16Н25АМ6 и др. Однако при этом равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность сварного соединения можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В
этом случае работоспособность сварного соединения при данном соотношении свойств мягкой
прослойки (шва) и основного металла определяется относительной
толщиной мягкой прослойки. Эффект контактного упрочнения в наиболее полной степени может быть реализован при применении так называемой щелевой разделки, представляющей собой стыковое соединение
с относительно узким зазором.
Отсутствие толстой шлаковой корки
на поверхности шва позволяет
выполнять многопроходную полуавтоматическую сварку в защитных
газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного
шва и тем самым обеспечить образование благоприятной структуры в
околошовной зоне. Все это позволяет успешно применять сварку в защитных газах для соединения
металла средней и большой толщины и в
ряде случаев отказаться от предварительного подогрева.
Высокое качество сварных соединений из закаливающихся высокопрочных сталей толщиной 3…5 мм достигают применением автоматической аргонодуговой сварки с поперечными перемещениями неплавящегося электрода. Как правило, предусматривают выполнение свар-
34
ного соединения в два слоя. Первый слой выполняют без присадки с
полным проплавлением кромок стыка и формированием обратного валика. Сварку осуществляют без поперечных перемещений электрода.
Для увеличения глубины проплавления иногда привлекают активирующие флюсы, которые наносят тонким слоем на свариваемые кромки посредством прочерчивания узкой полоски специальным стержнемкарандашом. При
сварке второго слоя неплавящемуся электроду придают низкочастотные поперечные колебания (3…4 кол/с амплитудой
2,5…3,5 мм) и осуществляют механическую подачу присадочной проволоки. Возможен и третий слой со стороны обратного валика, который
выполняют также с поперечными колебаниями электрода, но без подачи
присадочной проволоки на небольшом режиме для обеспечения плавного перехода от
металла обратного валика к основному металлу. Для
сварки сталей 25ХГСА, 30ХГСА в качестве присадочных материалов
применяют проволоки марок Св-18ХМА, Св-18ХГС. Для сталей
30Х2ГСНВМА, 42Х2ГСНМА широко используют проволоки Св-
20Х2ГСНВМ, Св-20ХСНВФАВД.
Сварка под слоем флюса. Автоматическая сварка под флюсом ре-
комендуется при толщине свариваемого
металла 5…50 мм для прямо-
линейных и кольцевых (диаметром свыше 80 мм) соединений.
Конструктивные элементы подготовки кромок под автоматическую
и механизированную сварку под флюсом выполняют такими же, как и
при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструкционных сталей, т. е. в соответствии с ГОСТ 8713–79.
Сварку под слоем флюса теплоустойчивых сталей используют для
изготовления корпусов аппаратов нефтехимической промышленности и
других изделий с толщиной стенки 20 мм и более. При этом применяют
защитно-легирующие флюсы с пониженным содержанием оксидов
кремния и марганца в сочетании с легированной проволокой. Например,
сочетание флюса АН-22 с проволокой Св-08ХМФА или флюса АН-17М
с проволокой Св-08ХГСМФА. Это позволяет практически
предотвратить развитие окислительно-восстановительных реакций и благодаря
этому получить стабильный по составу металл шва с высокими пластическими свойствами.
При сварке углеродистых, низко- и среднелегированных закаливающихся сталей в зависимости от состава и назначения свариваемой стали и требований, предъявляемым к сварным соединениям, используют
низкоуглеродистую проволоку Св-08А или
легированные проволоки,
например Св-10ГН, Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-08ХМФА,
Св-08Х21Н10Г6, Св-08Х20Н9Г7Т и др.
35
При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегированной, не содержащей достаточно элементов раскислителей, сварку
выполняют под кислыми высоко- или среднемарганцовистыми флюсами, например АН-348А, ОСЦ-45. При сварке низколегированными проволоками, содержащими раскислители в достаточном количестве, применяют низкокремнистые флюсы, такие как АН-15, АН-15М, АН-24.
Последние флюсы по сравнению с первыми
позволяют получить металл
шва с более высокими пластическими свойствами. Однако флюсы
АН-15, АН-15М несколько уступают флюсу АН-348А в технологическом отношении, и при их использовании сварку выполняют только на
постоянном токе обратной полярности.
Конструкционные низко- и среднелегированные стали сваривают
под флюсом, как правило, без подогрева. Только в случае
сварки жестких узлов, а также сварки сталей типа 30ХГСА и 30ХГСНА большой
толщины применяют подогрев до 250…300 °С. После сварки во всех
случаях необходим общий отпуск при 600 °С, или местный при 300 °С
для предупреждения образования холодных трещин. Если к сварным
соединениям предъявляются требования равнопрочности, то после
сварки изделия подвергают полной термической
обработке.
В случае отсутствия возможностей проведения предварительного или
сопутствующего подогрева, а также последующей термообработки используют высоколегированные аустенитные проволоки Св-08Х21Н10Г6,
Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х16Н25АМ6. При этом сварку выполняют
только под слабоокислительными или безокислительными флюсами,
например АН-20, АН-22, АН-22М. Прочность таких швов
уступает
прочности основного металла, однако высокий запас пластичности
обеспечивает достаточно хорошую работоспособность конструкции.
Для предотвращения пористости и наводороживания швов флюсы
перед сваркой необходимо прокалить, чтобы их влажность не превышала 0,1 % для стекловидных флюсов и 0,05 % для пемзовидных. Это достигается нагревом стекловидных флюсов до 350…400 °С, а пемзовидных – до 400…500 °С с выдержкой
2…3 ч.
Сварку под слоем флюса можно выполнять как с разделкой кромок
(при больших толщинах деталей), так и без нее односторонними или
двухсторонними швами. Сваривать стали без разделки кромок можно
толщиной до 25 мм двухсторонним швом. Как односторонние, так и
двусторонние швы могут быть однопроходными или многопроходными.
С целью повышения производительности процесса
стремятся выполнять сварку однопроходными швами, однако в отдельных случаях,
например при сварке металла больших толщин, приходится применять
многопроходную сварку с разделкой кромок.
36
Для повышения сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин многослойную сварку деталей толщиной свыше
40 мм можно выполнять с «мягкой прослойкой», используя для выполнения первых слоев сварочную проволоку Св-08ГА.
Подкладные кольца и замковые соединения для сталей, например
30ХГСНА, не применяют, так как они снижают надежность соединения
в эксплуатации. Вместо
подкладных колец первые слои шва целесооб-
разно выполнять аргонодуговой сваркой на весу.
Электрошлаковая сварка. Для соединения толстолистовых кон-
струкций из низколегированных сталей с повышенным содержанием
углерода и среднелегированных глубокопрокаливающихся сталей
наиболее рационально применение электрошлаковой сварки. Основные
типы сварных соединений и конструктивные элементы подготовки кромок под электрошлаковую сварку регламентирует ГОСТ 15164–78.
Для электрошлаковой сварки низколегированных сталей повышенной прочности и среднелегированных высокопрочных сталей применяют флюсы марок АН-8, АН-22 и др. При выборе электродной проволоки
следует исходить из требований к составу металла шва. Флюс практически мало влияет на состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае необходимости
легирования шва элементами, обладающими большим сродством к кислороду (например, Тi, Al),
следует применять флюсы на основе фторидов или системы
−CaO−Al2O3 типа АНФ.
СаF
2
Электродные проволоки в зависимости от состава свариваемой
стали и требований, предъявляемых к шву, выбирают из числа групп
легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246–70,
например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА и др. Пластины для
сварки плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами изготавливают из аналогичных сталей.
Электрошлаковая сварка
наряду с высокой производительностью и
экономичностью сварочных работ обеспечивает и высокое качество
сварных соединений, главным образом благодаря высокой стойкости
металла околошовной зоны и шва против образования трещин. Однако
при неблагоприятных условиях в ходе электрошлаковой сварки могут
возникать кристаллизационные трещины в металле шва, а также горячие и холодные трещины типа отколов
в участке перегрева околошов-
ной зоны.
Трещины – отколы, возникают, как правило, через несколько часов
после окончания сварки, преимущественно в начале шва, особенно после возобновления прерванного случайно процесса сварки, а также при
большой жесткости соединяемых элементов. Их образование можно
37
предотвратить, если соединения сразу же после сварки подвергнуть высокому отпуску. Способствует этому и некоторое замедление процесса
сварки, достигаемое уменьшением силы сварочного тока и увеличением
ширины шва за счет более сильного оплавления свариваемых кромок и
получения относительно неглубокой и широкой металлической ванны.
Такие режимы характеризуются повышенным напряжением сварки.
Для предупреждения образования
отколов при сварке жестко закрепленных элементов применяют предварительный подогрев начального участка или всего шва до 150…200 °С. Для восстановления механических свойств до необходимого уровня сварное изделие после сварки подвергают высокотемпературной термообработке.
Электронно-лучевая сварка является одним из перспективных
методов соединения узлов конструкций из закаливающихся сталей, поскольку
обеспечивает получение сварных соединений с высокой стойкостью против образования холодных трещин, а также минимальной
величиной сварочных деформаций. Отмеченные преимущества метода
обусловлены высокой концентрацией энергии и большой скоростью
нагрева, кинжальной формой проплавления основного металла и высокими скоростями кристаллизации металла сварочной ванны, а также
большой скоростью охлаждения соединения в целом.
Погонная энергия однопроходной электронно-лучевой сварки
(ЭЛС) в несколько раз меньше, чем при других видах сварки плавлением. Благодаря высоким скоростям нагрева и охлаждения в сварных соединениях формируется весьма мелкозернистая структура металла шва,
и предельно ограничиваются перегрев и разупрочнение участков зоны
термического влияния. Участок перегрева практически отсутствует. Замена
многослойной электродуговой сварки на однопроходную ЭЛС
значительно повышает производительность процесса.
При ЭЛС термоупрочненных сталей сварные соединения практически равнопрочны основному металлу, тогда как полученные дуговыми
методами сварки значительно разупрочнены. Однако следует заметить,
что соединение узлов конструкций из закаливающихся сталей ЭЛС дает
хорошие результаты лишь при толщине металла до 30 мм. ЭЛС средних
и больших толщин затрудняет высокая чувствительность процесса к повышенному содержанию в основном металле углерода, легирующих
элементов и газов, в частности кислорода. Так, например, при сварке
сталей толщиной более 30 мм с содержанием углерода свыше 0,2 % в
швах возникают кристаллизационные трещины. Если содержание кислорода в этой стали превышает 0,02 %, ЭЛС становится практически
невозможной из-за повышенного разбрызгивания жидкого металла и
образования пор в шве. В то же время сваркой сталей толщиной до
38
25 мм при соответствующем выборе режима обеспечивается качественное соединение без пор и трещин даже при содержании углерода 0,3 %
(например, трубчатых узлов из стали 30ХГСНА).
Вопросы для самопроверки
1. Какие стали относят к низко- и среднелегированным закаливающимся
сталям? Какие методы используют для повышения их прочности и сохранения пластических свойств?
2. Перечислите основные факторы, снижающие свариваемость низко- и
среднелегированных закаливающихся сталей.
3. В чем заключаются особенности структуры и свойств зоны термического влияния закаливающихся при сварке сталей?
4. При каких условиях
возникнуть холодные трещины? Укажите способы предотвращения образования холодных трещин.
5. Чем объяснить трудность получения равнопрочных сварных соединений при сварке закаливающихся сталей? Как решить эту проблему?
6. Почему наличие в шве аустенитной структуры повышает стойкость
околошовной зоны к образованию холодных трещин?
7. Перечислите способы сварки
при сварке закаливающихся сталей. Укажите особенности сварки этих сталей.
8. Какими преимуществами обладает электронно-лучевая сварка закаливающихся сталей по сравнению с другими способами?
в околошовной зоне сварных соединений могут
и сварочные материалы, применяемые
39
3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ
3.1. Состав и свойства сталей
Хром является широко распространенным относительно дешевым
легирующим элементом. Его используют для легирования коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких и окалиностойких сталей, которые
находят широкое применение для изготовления оборудования различных отраслей промышленности, работающего при высоких давлениях и
температуре в условиях агрессивных сред.
К высокохромистым сталям относятся стали с
от 5 до 30 %. Эти стали, как и другие высоколегированные, имеют пониженный по сравнению с углеродистыми и низколегированными сталями коэффициент теплопроводности, что приводит к возникновению в
зоне сварки высокого градиента температур и соответственно повышенного уровня временных и остаточных сварочных напряжений.
При содержании более 12 % хрома резко повышается – смещается
положительную сторону электрохимический потенциал стали, она
в
«облагораживается» и становится более устойчивой в растворах электролитов. При этом на поверхности металла появляется тончайшая
плотная и достаточно прочная пленка оксидов хрома, защищающая металл от воздействия коррозионно-активной среды. Эта же стойкая оксидная пленка хрома защищает сталь от окисления при высоких
турах – повышает ее жаростойкость. Таким образом, высокохромистые
стали оказываются стойкими против химической и электрохимической
коррозии в окислительных средах.
Легирование хромом не только обеспечивает коррозионную стойкость сталей в окислительных средах, но и определяет их структуру,
механические и другие свойства. Хром от точки плавления до низких
температур имеет решетку объемно-
центрированного куба, изоморфную α-железу. В связи с этим хром относится к легирующим элементам,
стабилизирующим в железных сплавах α-фазу и уменьшающим область
существования γ-фазы (рис. 5). Введение в железохромистые сплавы
других ферритостабилизирующих элементов (Мо, W, V, Ti, Si и др.)
еще больше сужает γ-область, в то же время аустенитостабилизирующие (C, Mn, Ni, Cu) ее расширяют
. Углерод, кроме того, приводит к об-
разованию карбидов хрома, обедняя хромом твердый раствор.
содержанием хрома
темпера-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]