ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Из низколегированных сталей в сварных конструкциях используют как простые конструкционные (машиностроительные и строительные), так и теплоустойчивые. Стали указанных групп отличаются не только по эксплуатационным свойствам, но и по чувствительности к процессу сварки.
Характеристика конструкционных сталей и особенности их сварки, Свойства низколегированных сталей в известных пределах регулируют за счет изменения содержания углерода и легирующих элементов. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается из-за повышения вероятности образования горячих и холодных трещин. Повышение вероятности образования горячих трещин при увеличении содержания углерода обусловлено склонностью углерода к ликвации, а холодных трещин – тем, что углерод снижает температуру мартенситного превращения и способствует формированию малопластичного (двойникованного) мартенсита. Объемные изменения (увеличение объема) при превращении аустенита в мартенсит с повышением содержания углерода возрастают. Это приводит к увеличению внутренних напряжений.
В связи с отмеченным в сварных конструкциях применяют в основном низкоуглеродистые низколегированные стали повышенной прочности, содержащие до 0,23%С и относящиеся к перлитному классу. Они обладают достаточной прочностью и относительно хорошей свариваемостью. Основные легирующие элементы низколегированных сталей — марганец, кремний, хром. В некоторых сталях имеется никель, ванадий, медь и др. С целью уменьшения роста зерна в околошовной зоне стали, используемые в сварных конструкциях, как правило, дополнительно раскисляют алюминием или титаном.
Низколегированные стали поставляют в основном в горячекатаном состоянии или после нормализации.
В последние годы получили применение высокопрочные низколегированные стали с мартенситной или бейнитной структурой (14Х2ГМР, 14ХМНДФР и др.), которые наряду с высокими механическими свойствами обладают удовлетворительной свариваемостью. Сочетание подобных свойств достигается за счет комплексного многокомпонентного легирования стали при малом содержании углерода. Малое содержание углерода обеспечивает при охлаждении аустенита в зависимости от скорости его охлаждения получение металла со структурой реечного мартенсита или бейнита.
Реечный (или дислокационный) низкоуглеродистый мартенсит, упрочняемый в результате формирования в процессе превращения дислокаций, в отличие от пластинчатого (или двойникованного) мартенсита, образующегося в сталях с содержанием свыше 0,22% С, более пластичен. Поскольку мартенситное превращение при малом содержании углерода протекает в области относительно высоких температур (выше 350° С), то оно сопровождается сравнительно низкими напряжениями. Все это снижает вероятность образования холодных трещин при сварке подобных сталей.
Металлургические особенности сварки. В большинстве случаев низколегированные стали — спокойные. При выборе марки электродной проволоки обычно стремятся обеспечить состав металла шва, близкий к основному, а также требуемые эксплуатационные свойства. Образование горячих трещин при сварке низколегированных сталей в основном связано с присутствием в металле шва углерода, серы и фосфора сверх допустимых пределов. Допустимое содержание серы и фосфора в металле шва регламентируется стандартом на основной металл и электродную проволоку.
Образование горячих трещин предотвращают также за счет рационального выбора сварочных материалов: флюсов, электродов, электродных проволок таким образом, чтобы при осуществлении любого отмеченного металлургического варианта обеспечивалось снижение вредных примесей в металле шва. Содержание углерода в металле шва обычно устанавливают не более 0,15%, а необходимые свойства получают путем дополнительного его легирования.
Образование пор при сварке низколегированных сталей, так же как и углеродистых, связано с выделением окиси углерода, водорода и азота. Вероятность образования пор из-за выделения окиси углерода при сварке низкоуглеродистых сталей небольшая, поскольку в сварочной ванне, как правило, обеспечивается достаточная концентрация сильных раскислителей (например, кремния). Вероятность образования пор из-за водорода при сварке низколегированных сталей выше, чем при сварке углеродистых сталей, из-за повышенной степени раскисленности. Поэтому при сварке низколегированных сталей необходимо предусматривать меры для снижения вероятности попадания водорода и азота в зону сварки.
Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. Как правило, низкоуглеродистые низколегированные стали обладают удовлетворительной тепловой свариваемостью. Однако по сравнению с низкоуглеродистыми при сварке низколегированных в особенности при сварке металла большой толщины, используют подогрев.
При разработке режимов сварки следует иметь в виду, что в структуре металла зоны сварного соединения низкоуглеродистых низколегированных сталей допустимо содержание до 90% мартенсита, если твердость металла не превышает 415НV. Это обусловлено относительно высокими пластическими свойствами низкоуглеродистого реечного (дислокационного) мартенсита.
Сварка покрытыми электродами. Для сварки низколегированных сталей повышенной и высокой прочности в основном используют электроды с покрытием основного типа.
В зависимости от свойств свариваемой стали используют стандартные (ГОСТ 9467—60) электроды: типа Э42А (марок УОНИ-13/45, СМ-11 и др.); типа Э46А (марки Э-138/45Н для сталей 09Г2, 10ХСНД, 15ХСНД и др.); типа Э50А (марок УОНИ-13/55, ДСК-50, АН-Х7 и др. для сталей 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД и др.); типа Э55 (марки УОНИ-13/55У для сталей 18Г2С, 25ГС, 15ГС) и др.
Для некоторых сталей типа 09Г2 используют также электроды с покрытием рутилового типа Э42 (например, электроды марки АНО-1).
Сварка под флюсом. При этом используют кремне- и марганцовистые флюсы АН-348А, АН-60 и флюсы с пониженным содержанием МпО и Si02 –АН-47, АН-15, АН-22, АН-42 ( Таблица). Электродную проволоку выбирают в зависимости от состава свариваемой стали (Св-08ГА, Св-10Г2, Св-08ХМ, Св-08ХМФА, Св-10НМА и др.).
Таблица –Химический состав флюсов для сварки легированных сталей
Марка флюса | Содержание основных компонентов, % | |||||||||
SiO2 | MnO | MgO | CaO | CaF2 | TiO2+ ZrO2 | Al2O3 | Fe2O3 | S | P | |
АН-348А | 41-44 | 34-38 | 5-7,5 | ≤6,5 | 4-5,5 | - | ≤4,5 | ≤2 | ≤0,15 | ≤0,12 |
АН-67Б | 15,5 | 15,7 | - | 7,0 | 14,0 | 5,5 | 38,5 | 0,5 | ≤0,09 | ≤0,1 |
АН-60 | 42,5-46,5 | 37-41 | 0,5-3 | 3-11 | 5-8 | - | ≤5 | ≤0,9 | ≤0,09 | ≤0,1 |
АН-47 | 28-32 | 14-18 | 6,5-10,5 | 13-17 | 9-13 | 6-8 | 9-13 | ≤2 | ≤0,05 | ≤0,05 |
АН-65 | 38-42 | 20-28 | 7-11 | ≤8 | 7-11 | 5-9 | ≤5 | ≤2 | ≤0,1 | ≤0,1 |
Наиболее рационально для сварки низколегированных сталей использовать флюсы с пониженным содержанием МпО и Si02, так как уменьшается загрязненность металла шва шлаковыми включениями.
Хорошие результаты получены при сварке высокопрочных низколегированных сталей при использовании флюсов АН-17 и AH-17M в сочетании с кремнемарганцовистыми и другими легированными проволоками (например, Св-08ХН2М; Св-08ХМФА). Указанные флюсы характеризуются пониженным содержанием МпО и Si02 и наличием небольших количеств окислов железа. При этом флюсы содержат достаточное количество фтористого кальция и окиси кальция. Подобный состав флюса и соответственно шлаков обеспечивает хорошие металлургические условия формирования сварочной ванны, приводит к снижению исходной концентрации серы и фосфора, а также водорода в металле шва.
Сварка в атмосфере защитных газов. Технология сварки низколегированных сталей в атмосфере защитных газов мало чем отличается от технологии сварки углеродистых сталей.
Низколегированные стали плавящимся электродом в большинстве случаев сваривают в углекислом газе. При сварке сталей 09Г2, 10Г2СД, 14ХГС, 15ХСНД и подобных им в основном применяют электродную проволоку Св-08Г2С. Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений в морской воде используют сварочную проволоку Св-08ХГ2С.
В некоторых случаях для повышения производительности сварки, улучшения внешнего вида швов, повышения пластических свойств металла шва применяют порошковые проволоки марок ПП-АН8, ПП-АН10, ПП-АН4, ПП-АН9. Проволоки ПП-АН4 и ПП-АН9 обеспечивают более высокие механические свойства металла шва при отрицательных температурах. Высокопрочные низколегированные стали сваривают электродными проволоками сложного легирования, которые выбирают в зависимости от свойств свариваемых сталей.
Электрошлаковая сварка. Технология электрошлаковой сварки низколегированных сталей аналогична технологии сварки углеродистых сталей. Сварку в основном осуществляют с применением флюса АН-8, однако возможно использование флюса АН-22. Электродную проволоку выбирают в зависимости от свойств свариваемой стали. Так, например, при сварке сталей 09Г2С, 16ГС, 14ГС, 15ХСНД используют проволоки Св-08ГС, Св-10Г2. Проволока Св-08ГА не обеспечивает достаточной прочности металла шва.
В зависимости от предрасположенности основного металла к росту зерна и требований, предъявляемых к сварному соединению, после сварки назначают термообработку. Для сталей, склонных к росту зерна, обычно назначают нормализацию; для сталей, не склонных к росту зерна, как правило, ограничиваются отпуском при температуре 650° С.
Характеристика теплоустойчивых сталей и особенности их сварки. Низколегированные теплоустойчивые стали относятся, в основном к перлитному классу (например, сталь 12Х1МФ.) Они характеризуются достаточной жаропрочностью, жаростойкостью, запасом пластичности и стабильностью структуры при температурах до 600°С, что позволяет использовать их в зависимости от состава для работы в области температур 450—585° С.
Повышенная прочность стали в области высоких температур достигается за счет упрочнения легирующими элементами -твердого раствора железа и формирования устойчивых карбидов, не склонных к коагуляции. Основные легирующие элементы теплоустойчивых сталей — карбидообразующие: хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий. Содержание углерода в хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталях обычно 0,08— 0,12%.
Теплоустойчивые стали упрочняются термообработкой. Однако, как правило, стали используют или в отожженном состоянии, или после нормализации и высокого отпуска (при температуре 650—750° С в зависимости от марки стали). Использование сталей в подобных состояниях обусловлено особенностями их работы: длительные сроки службы (сотни тысяч часов) при повышенных температурах (450—585° С).
Металлургические особенности сварки. Теплоустойчивые стали относятся к спокойным.
Сварные соединения теплоустойчивых сталей, как правило, подвергаются длительной эксплуатации при повышенных температурах. При подобных условиях получают значительное развитие диффузионные процессы. При различии в составе металла шва и основного, особенно по карбидообразующим элементам, возможно перераспределение углерода, обладающего повышенной диффузионной подвижностью по сравнению с другими компонентами стали. Это может привести к неблагоприятному изменению свойств металла в зоне сварного соединения. Для предотвращения развития указанных процессов состав металла шва должен быть близким к основному. В первую очередь это относится к содержанию карбидообразующих элементов.
С целью предотвращения образования кристаллизационных трещин содержание углерода в металле шва ограничивают в пределах 0,07—0,12%, а необходимые свойства металла шва обеспечивают за счет дополнительного введения легирующих элементов, исключающих заметное развитие диффузионных процессов в области границы сплавления. В этом случае рационально использовать комплексное легирование металла шва хромом, молибденом, ванадием, вольфрамом, чтобы градиент концентраций по каждому элементу в зоне сплавления был небольшим.
Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. В зоне термического влияния теплоустойчивых сталей можно выделить два характерных участка, определяющих работоспособность сварного соединения: участок повышенной твердости, который включает высокотемпературную область и зону аустенитизации, и участок пониженной твердости, включающий зону неполной перекристаллизации и разупрочнения в случае использования стали в состоянии после нормализации и высокого отпуска.
Аустенит теплоустойчивых сталей склонен к переохлаждению и образованию структур закалки. Это необходимо учитывать при выборе режима сварки, особенно при многослойной сварке элементов большой толщины. Для предотвращения образования холодных трещин сварку теплоустойчивых сталей, особенно при толщине соединяемых элементов свыше 10 мм, выполняют с подогревом.
Температуру подогрева (местного или общего) назначают в зависимости от марки свариваемой стали. С увеличением содержания углерода и степени легирования температура подогрева повышается.
На работоспособность сварных соединений теплоустойчивых сталей большое влияние оказывает второй участок, особенно вона неполной перекристаллизации. Это обусловлено тем, что в указанной зоне сварного соединения наряду с продуктами распада вновь образовавшегося при сварке высокоуглеродистого аустенита в структуре металла имеется феррит с пониженной (по сравнению с аустенитом) концентрацией углерода. Поэтому участок неполной перекристаллизации характеризуется гетерогенностью структуры и механических свойств, что особенно сказывается на длительной прочности при высоких температурах.
Разрушение соединений происходит по зоне неполной перекристаллизации из-за локализации пластической деформации и разрушения ферритных зерен.
Улучшение свойств металла зоны термического влияния достигают, как правило, за счет высокотемпературного отпуска. Более оптимальные свойства достигаются при проведении полной термообработки (нормализация и высокотемпературный отпуск) сварного изделия. Однако подобную термообработку к громоздким сварным изделиям применить, как правило, не представляется возможным.
Особенности сварки. Сварка покрытыми электродами — основной способ выполнения сварных соединений теплоустойчивых сталей. Это обусловлено тем, что детали и узлы энергостроения отличаются сложностью и разнообразием конструктивных решений и единичным характером производства. Сварку преимущественно осуществляют электродами с основным покрытием. В зависимости от состава свариваемой стали применяют электроды; для сварки стали 12МХ — типа Э-МХ (марки ГЛ-14 со стержнем из проволоки Св-08ХМ); для сварки сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л — типа Э-ХМФ (марки ЦМ-20-63 со стержнем из проволоки Св-08ХМФА) и др.
Сварку под флюсом выполняют в сочетании с легированной электродной проволокой, например сочетания флюс АН-22 с проволокой Св-08ХМФА или флюс АН-17М с проволокой Св-08ХГСМФА.
Сварку в атмосфере защитных газов успешно применяют для теплоустойчивых сталей. Особенно широко используют способ дуговой сварки в атмосфере углекислого газа. Марку проволоки выбирают в зависимости от состава свариваемой стали. Для стали 20ХМ используют проволоку Св-10ХГ2СМА, для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л — проволоку Св-08ХГСМФА.
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 2511;