Глава 19 Сварка различных металлов и сплавов

§19.1Особенности кристаллизации металла

Сварного шва

Сварным соединением называют участок, состоящий из шва, металла зоны термического влияния (околошовной зоны) и основного металла.

При сварке конструкционных сталей металл участка 1 околошовной зоны (рис. 19.1) находится в твердожидком состоянии.

Рис. 19.1 Участки околошовной зоны

На этом участке от частичного оплавления зерен основного металла образуются кристаллиты.

Первый участок и пограничный слой металла образуют зону сплавления или переходную зону. Эта зона является главной, в ней могут возникнуть усталостные трещины, хрупкие разрушения и другие дефекты. На участке 2 перегрева или участке крупного зерна, где температура изменяется до

1200°С до температуры плавления происходят аллотропические превращения, возникает крупное зерно аустенита. На участке 3 (от 800 до 1200°С) металл проходит перекристаллизацию и приобретает аустенитную структуру. Температура металла участка 4 (от 720 до 880°С) обеспечивает его неполную перекристаллизацию. Участок старения 5 при рекристаллизации имеет перепад температур от 500 до 720°С.

Процесс старения объясняется закалкой с температуры 720° С до комнатной температуры на пересыщенный твердый раствор, который характеризуется повышением содержания примесей (углерода и азота). При распаде пересыщенного твердого раствора избыточное количество углерода и азота выделяется в виде тонкодисперсных карбидов и нитридов, упрочняющих металл и делающих его более хрупким. Последний участок 6 (от 100 до 500° С) не имеет видимых структурных превращений.

Процесс сварки приводит к возникновению напряжений в металле. Они возникают как следствие неравномерного нагрева; затрудненного расширения и сжатия разогретого металла, окруженного холодным металлом и структурных превращений в металлах. Установлено, что сварочные напряжения не снижают несущую способность конструкций и мало влияют на их долговечность.

Если сварочные напряжения будут равны пределу текучести, могут возникнуть остаточные деформации материала. Величина и характер остаточных деформаций определяются свойствами и толщиной свариваемых металлов, режимом сварки, последовательностью наложения швов, конструктивными формами свариваемых деталей и формой шва. Остаточные деформации снижают долговечность и портят вид сварочной конструкции.

Существуют методы снятия сварочных напряжений (термообработка, термопластический метод, аргонодуговая обработка, проковка металла шва и околошовной зоны, метод нагружения до предела текучести металла и др. и устранения остаточных деформаций (термическая правка, механическая правка и др.)

§19.2Сварка углеродистых и легированных сталей и чугунов

Из низкоуглеродистых сталей в настоящее время изготавливают большинство сварных конструкций, так как эти стали хорошо свариваются. Сварные соединения этих сталей обладают высокой коррозионной стойкостью, долговечны в условиях вибрационных и ударных нагрузок, а также при пониженных и повышенных температурах.

Среднеуглеродистые стали сваривать значительно сложнее из-за повышенного содержания углерода. При этом наблюдается низкая стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и склонность к образованию заколоченных структур. Стали при сварке нагреваются до температуры 100…300 ° С; для получения более пластичных соединений после сварки применяют термообработку (закалку с отпуском).

Высокоуглеродистые стали не используют для создания сварных соединений, исключение составляют ремонтные работы.

Контактная точечная сварка проводится на мягких режимах, контактную стыковую сварку осуществляют методом прерывистого оплавления для создания режима предварительного подогрева соединяемых элементов.

Из низколегированных сталей делают ответственные сварные соединения. Эти стали мало отличаются с точки зрения сварки от низкоуглеродистых конструкционных сталей.

Среднелегированные стали, обладая высокими механическими свойствами и достаточной пластичностью, широко распространены в промышленности. Сварка этих сталей затруднена из-за повышенного содержания углерода и легирующих компонентов.

При сварке низко и среднелегированных конструкционных сталей имеются особенности: выгорание легирующих компонентов, самозакаливаемость металла, возникновение сварочных напряжений и появление трещин. По этому сварку сталей проводят, строго соблюдая технологический режим, избегая перегревов, применяя специальные флюсы и обмазки, подогревая свариваемые элементы и проводя соответствующую термообработку.

Из высоколегированных сталей большее распространение имеют хромистые и хромоникелевые стали.

Высокохромистые стали отличаются антикоррозионными и жаропрочными свойствами. При их сварке наблюдается охрупчивание металла шва и околошовной зоны, значительно укрупняется зерно и выгорает хром по границам зёрен могут выпадать хрупкие фазы, образуются холодные трещины. Для предотвращения этого элементы перед сваркой подогревают, применяют малые токи, защищают место сварки, легируют присадочный материал или электроды хрома, а после сварки вводят отжиг.

Хромоникелевые стали обладают более высокими чем хромистые, коррозионной стойкостью и жаропрочностью. Сварка этих сталей может привести к снижению коррозионной стойкости в связи с выпадением по границам зёрен аустенита карбида хрома. Поэтому сварку проводят при малых токах с принудительным охлаждением. После сварки назначают отжиг или закалку. Это предотвращает выпадение карбидов хрома. Хромоникелевые стали хорошо свариваются контактной сваркой.

Сварка чугуна широко применяется в ремонтном деле и в устранении дефекта чугунного литья.

К особенностям сварки чугунов следует отнести следующие: образование закалочных структур при быстром охлаждении, что приводит к плохой обрабатываемости и образованию трещин; отбеливание чугуна; усадка чугуна при охлаждении - это также способствует образованию трещин; легированные никелем, титаном, молибденом и др. чугуны свариваются лучше обычных; из обычных лучше всего свариваются серые чугуны с мелкими включениями графита и с минимальным содержанием серы и фосфора. Закалку и отбелённые структуры чугуна как следствие сварки устраняют отжигом.

При горячей сварке чугунного изделия его предварительно подогревают до температур 600…700°С; по окончании сварки обеспечивается медленное охлаждение со скоростью 50…100° С/ч. Сварку ведут, обеспечивая значительно большую, чем у обычных сталей, жидкую ванну металла. Это создает условия для удаления газов и неметаллических включений, а также для медленного охлаждения и предотвращения возникновения закалочных структур. Горячая сварка чугуна проводится электрической дугой или газосварочным пламенем, при этом обеспечивается высокое качество сварного шва.

Более широко применяется холодная сварка чугуна электрической дугой. Электроды могут быть стальными, модно – железными, медно – никелевыми и чугунными. Сварка осуществляется короткими швами, многослойной.

Обеспечивается сравнительно хорошая прочность шва.