Сварка. Оконч

Хрупкие же материалы такой деформации не выдерживают, и в них возникают трещины.

Для предотвращения трещин необходимо в сварных изделиях применять высокопластичные материалы, например, малоуглеродистые стали. Стали с повышенным содержанием углерода, а также легированные стали обладают пониженной пластичностью, что ухудшает их свариваемость. Кроме того, стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов (Cr, Mo, V, W, Мn) при быстром охлаждении способны подвергаться закалке, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости B зоне сварного шва. Чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем эта склонность выше.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут выходить или не выходить на поверхность, располагаться цепочкой, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4–6 мм в поперечнике). Причины возникновения пор:

–выделение водорода, азота и окиси углерода в результате химических реакций;

–различная растворимость газов в расплавленном и твердом металле;

–захват пузырьков газа при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходима тщательная подготовка основного и присадочного материалов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т. д.), надёжная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну элементов — раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), соблюдение режимов сварки.

Наряду с порами сплошность металла шва нарушают шлаковые включения. Шлаковые включения связаны с тугоплавкостью, повышенной вязкостью и высокой плотностью шлаков, плохой зачисткой поверхности кромок и отдельных слоев при многослойной сварке, затеканием шлака в зазоры между свариваемыми кромками и в места подрезов. Помимо шлаковых включений в шве могут быть микроскопические оксидные, сульфидные, нитридные, фосфорсодержащие включения, которые ухудшают свойства сварного шва.

Улучшить свариваемость стали, можно применением подогрева деталей перед сваркой. Подогрев повышает пластичность стали, а также уменьшает перепад температуры и скорость охлаждения в зоне свалки, поэтому закалка стали не наблюдается. Положительный эффект оказывает также термическая обработка после сварки (отпуск или отжиг), заключающаяся в нагреве до температуры 600–900 °С и медленном охлаждении. После термообработки внутренние напряжения в сварных изделиях существенно снижаются, а микроструктура становится более равномерной.

Влияние легирующих элементов на свариваемость стали неоднозначно. Большинство из них свариваемость ухудшает (Cr, Mo, W, V и др.). Некоторые элементы повышают пластичность стали, и тем самым не ухудшают сваривае-

91

мость, но могут повысить склонность к горячим трещинам. Марганец и кремний в небольших количествах способствуют хорошему раскислению стали и не затрудняют сварку, однако при их содержании более 1 % — свариваемость снижается, вследствие повышения вероятности закалки стали и образования хрупких оксидов.

Вредные примеси (фосфор, сера, кислород, азот, водород), находящиеся даже в небольших количествах, значительно снижают свариваемость стали.

Особенности сварки конструкционных сталей

Конструкционные стали могут быть углеродистыми и легированными. Сумма легирующих элементов в конструкционных сталях обычно не превышает 5 %. Влияние углерода и легирующих элементов можно оценить ориентиро-

вочно по эквивалентному содержанию углерода

где С, Mn, Ni, Cr, Мо, V — процентное содержание соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, %.

IБез ограничений, в широком диапазоне режимов сварки независимо от толщины металла, жёсткости конструкций, температуры окружающей среды

IIСварка только при температуре окружающей среды не ниже –5 °С, толщине металла менее 20 мм при отсутствии ветра

IIIСварка с предварительным или сопутствующим подогревом до 250 °С в жёстком диапазоне режимов сварки

Исходя из химического состава, все конструкционные стали можно разделить на 4 группы, которые будут отличаться свариваемостью и для обеспечения надежного равнопрочного сварного соединения потребуют различных условий сварки.

I группа — хорошо сваривающиеся стали. Сюда относятся стали низкоуглеродистые с содержанием углерода менее 0,25 %, а также низколегированные при содержании углерода менее 0,2 %. Эти стали свариваются без трещин при температуре окружающей среды до –20 °С. Термическая обработка после сварки не требуется, за исключением конструкций, где недопустимы коробление и поводка в процессе обработки и эксплуатации. К этой группе относятся стали: ВСт1 ... ВСтЗ; ГОСТ 380–88; 08, 10, 15, 20, 25 ГОСТ 1050–88; 15Л, 20Л ГОСТ 977–88; 15Г. 20Г, l5X, 20X, 15H2M, 12ХН2, ГОСТ 4543–71; 09Г2, 16ГС,

ЛОГ2С1Д ГОСТ 19282–89 и др.

II группа — удовлетворительно сваривающиеся стали, у которых содер-

жание углерода или его эквивалента находится в пределах 0,25–0,35 %. Эти стали свариваются без дефектов при температуре окружающей среды выше +5 °С. В противном случае, а также при толщине деталей более 25 мм необходим подогрев перед сваркой до 50–100 °С. После сварки конструкции целесообразно термообработать, особенно толстостенные. Примеры сталей данной группы: ВСт5, ВСт5Г, 30, 35, 20Х'НЗД., 27ГС, 20ХГС и др.

III группа — ограниченно сваривающиеся стали, имеют эквивалентное или абсолютное содержание углерода 0,35–0,45 %. Эти стали для обеспечения качественного шва требуют подогрева деталей перед сваркой до 100–200 °С и термической обработки после сварки. Термическая обработка может заключаться или в отжиге, или в закалке с последующим высоким отпуском. К группе огра-

93

ниченно сваривающихся относятся стали БСт6, 40, 45, 30ХМ, 30ХГСА, 20Х2Н4А и др.

IV группа — плохо сваривающиеся стали с содержанием углерода или его эквивалента более 0,5 %. Для сварки необходимы предварительный подогрев до 250–350 °С и термическая обработка после сварки. Плохо свариваются ста-

ли: 45Г, 40Х, 65Г, 40ХН, 60СГА, 38Х2МЮА, У7 и др.

Особенности сварки теплоустойчивых сталей

Теплоустойчивые стали предназначены для работы при температуре до 600 °С, имеют легирующие элементы: хром, молибден, ванадий (12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1ФЛ и др.).

При сварке теплоустойчивых сталей могут возникать хрупкие структурные составляющие вследствие частичной закалки околошовной зоны. Для предотвращения образования трещин эти стали перед сваркой необходимо подогреть до температуры 150– 400 °С. После сварки целесообразна термическая обработка для снятия внутренних напряжений и стабилизации твердости в зоне сварки — отпуск до температуры 600–900 °С.

Особенности сварки коррозионностойких сталей

Основным легирующим элементом коррозионностойких сталей является хром, его содержание составляет около 13 % (08Х13, 12Х13, 20Х13 и др.).

Одновременно они обладают жаростойкостью (до 650 °С) и жаропрочностью (480–500 °С). Эти стали имеют низкую теплопроводность, поэтому конструкции из них склонны к поводке и короблению. Хром способен окисляться и образовывать тугоплавкий шлак, что затрудняет сварку.

Сварку хромистых нержавеющих сталей ведут на мягких тепловых режимах, т. е. с малой плотностью тока, на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде), с малой скоростью охлаждения (при отсутствии сквозняков).

Применяют электроды, с фтористо-кальциевыми покрытиями. Рассматриваемые стали относят к мартенситному и мартенситно-ферритному классам, поэтому в зоне сварки в обычных условиях должна произойти закалка. При этом вероятность образования трещин очень высока, особенно на толстостенных и жестких конструкциях. Для улучшения свариваемости используют местный подогрев до 200–300 °С изделий с толщиной более 8–10 мм. Верхний предел подогрева и время пребывания при этой температуре ограничены проявлением хрупкости или синеломкости. После сварки зона шва имеет повышенную твердость, поэтому сварные изделия через определенное время подвергают отпуску до температуры 700–760 °C. Отпуск способствует также восстановлению стойкости против межкристаллитной коррозии.

Особенности сварки жаростойких и жаропрочных сталей

Стали являются высоколегированными, содержат хром (18 % и более), никель (8 % и более), молибден, ниобий и другие элементы. Одновременно данные стали являются и коррозионностойкими. Большинство сталей относят к аустенитному классу, они имеют высокую пластичность, и, следовательно, низ-

94

кую склонность к холодным трещинам. Однако наличие большого количества различных элементов при сварке ряда сталей может вызвать горячие трещины. Их вероятность снижается применением особовысококачественных сварочных материалов, полученных вакуумно-дуговым или электрошлаковым переплавом, когда содержание вредных примесей фосфора и серы ничтожно, а также введением марганца, молибдена, вольфрама.

Стали данного класса склонны к сильному короблению, это необходимо учесть при разработке конструкции и технологии сварки; свариваемые заготовки следует жестко закреплять.

В процессе сварки вследствие сильного разогрева наблюдается выпадение карбидов хрома, что снижает коррозионную стойкость стали и повышает склонность к межкристаллитной коррозии. Для предотвращения отмеченного явления используют стали с очень малым содержанием углерода и наличием активных карбидообразующих элементов, например титана. Сварку ведут при малых погонных энергиях с отводом тепла путем медных подкладок с водяным охлаждением, что позволяет ограничить время пребывания стали в зоне температуры активного выпадения карбидов хрома.

Снять внутренние сварочные напряжения и сформировать аустенитную структуру позволяет термическая обработка после сварки — аустенизация, заключающаяся в нагреве до 1000–1100 °С и быстром охлаждении в воде или для тонкостенных изделий на воздухе.

Положительное воздействие оказывает проковка сварного шва сразу же после сварки, что приводит к измельчению структуры. Однако этот процесс трудоемок и возможен, только на мелких изделиях простой формы в индивидуальном производстве.

Оценка свариваемости металлов

Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости холодным и горячим трещинам применяют два вида испытаний — технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней постоянной механической нагрузки.

В технологических пробах сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине. Примером технологических проб может служить кольцевая и тавровая пробы с рёбрами жесткости (Рис. 9.3). Сначала сваривают шов 1, затем 2, визуально определяют, появляется ли трещина во втором шве.

Преимуществом технологических проб является возможность моделировать технологию сварки и, следовательно, судить о сопротивляемости образованию трещин в условиях, близких к реальным. Проба представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин. Примерами проб могут служить крестовая проба и проба Кировского завода (Рис. 4).

95

Рис. 3. Технологические пробы для определения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин:

а— тавровая с ребрами жесткости, б — кольцевая

Вкрестовой пробе цифрами показана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится последний четвертый шов, где и возможно образование трещин. В пробе Кировского завода, изменяя толщину металла в зоне выточки, а также применяя дополнительный подогрев или охлаждение, меняют скорость охлаждения металла при сварке и степень его подкалки. По этим показателям судят о сопротивляемости металла образованию холодных трещин.

Существует ряд других технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Пробы дают только качественный ответ: образуется или не образуется трещина.

Рис. 4. Технологические пробы для определения сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин:

а — крестовая, б — Кировского завода; 1, 2, 3, 4 — последовательность наложения швов

96

Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после сварки. Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на металл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хранении и эксплуатации конструкции.

Порядок выполнения работы

1.Изучить влияние химического состава стали на её свариваемость.

2.Изучить основные виды оценки свариваемости металлов.

3.Ознакомится с технологическими пробами оценки свариваемости ме-

таллов.

4.Провести оценку свариваемости стали по технологической пробе.

Содержание отчёта

1.Цель работы, описание основных причин возникновения, дефектов.

2.Описание особенностей сварки конструкционных, теплоустойчивых, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей.

3.Чертежи технологических проб для определения сопротивляемости сварных соединений образованию холодных и горячих трещин.

4.Результаты оценки свариваемости стали по технологической пробе.

Контрольные вопросы

1.Что такое свариваемость металла?

2.Какие виды дефектов могут возникать в сварном шве?

3.Как предупреждается образование трещин в сварном шве?

4.Какими методами оценивается свариваемость металла?

5.На какие группы можно разделить конструкционные стали по сварива-

емости?

6.В чём заключается особенность изготовления сварных конструкций из теплоустойчивых, коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей?

Лабораторная работа № 8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Цель работы: Ознакомить студентов с принципиальным подходом к разработке технологии сварки изделий стальных конструкций.

Сварные конструкции, по сравнению с клёпкой и литьём имеют ряд преимуществ:

–снижаются затраты труда;

–сокращаются сроки изготовления и увеличивается выпуск продукции;

–экономятся материалы.

97

Однако, качество сварных соединений, их работоспособность и долговечность во многом зависят от выбора конструктивной формы заготовок, выбора оборудования, вспомогательных материалов, режимов сварки и квалификации сварщиков.

При сварке происходит изменение свойств основного металла и около шовной зоны, возникают напряжения и деформации конструкций. Все эти изменения, а также дефекты сварных швов, отражаются на условиях работы сварных соединений и приводят к снижению их работоспособности.

Общие требования к разработке технологического процесса сварных конструкций:

1.Комплексная проработка всех вопросов, связанных с изготовлением сварной конструкции (точность изготовления заготовок, экономическое сравнение вариантов).

2.Расчёт технологических процессов.

3.Если требуется, изготовление опытных образцов и корректировка технологии.

Исходные данные для расчёта технологии дуговой сварки стыковых и угловых швов

1.Конструктивные элементы подготовки кромок:

–для ручной дуговой сварки регламентируются ГОСТ–5264–80;

–для полуавтоматической сварки в среде углекислого газа — ГОСТ–

14771–76.

2.Диаметр электрода при сварке стыковых швов в нижнем положении выбирается по табл. 1.

4. Сварочный ток для нижнего положения на практике определяется по формуле:

98

Iсв = K d,

Iсв— сварочный ток, А;

К — коэффициент равный 35–50; d — диаметр электрода, мм.

При сварке вертикальных швов ток уменьшается на 10…15 %, при сварке горизонтальных и поточных швов — на 15… 20 %.

5. Площадь поперечного сечения металла, наплавленного за один проход, зависит от диаметра электрода.

Для первого прохода:

F1 = (6 … 8) d,

Для последующих проходов:

F п= (8 … 12) d,

d — диаметр электрода, мм;

F — площадь поперечного сечения 1-го прохода шва, мм2 ;

F n — площадь поперечного сечения каждого последующего прохода, мм2 .

6. Расчёт расхода электродов и производительности. Производительность сварки в значительной степени зависит от трёх ко-

эффициентов:

– Коэффициент расплавления, г / (A.ч) αр = GItp ,

– Коэффициент наплавки, г / (А.ч) αн = GItн,

– Коэффициент потерь, (%) φ = р н 100.

н

где: Gp — масса расплавленного металла, г; Gн — масса наплавленного металла, г;

I — сила сварочного тока, А; t — время, ч.

На практике производительность сварки определяется (г / ч)

П = н I,

Коэффициент н — берётся из справочной литературы.

99

Расход электродов

Gэл = (1+К1) 1 Gн = (1+ 0,9К) 1 Gн

К — коэффициент массы покрытия; К1 — отношение массы покрытия к массе всего электродного стержня;

— Коэффициент потерь;

— отношение длины стержня электрода к длине расплавляемой его части.

Ки К1 определяются по формулам:

где: Gэ — масса электрода, г;

Lэ — длина электрода, см;

L0 — длина покрытой части электрода, см;

m — масса 1см электродной проволоки данного диаметра, г / см.

Коэффициент потерь для разных электродов различен (потери 6–25 %), его обычно принимают 1,1–1,25.

100