Способы сварки. Технологические режимы и приемы.

Дуговая сварка покрытыми электродами. В настоящее время большинство конструкций из среднелегированных сталей сваривают в ручную. К основным особенностям этого способа следует отнести использование низководородистых электродов с фтористо-кальциевым покрытием, применения постоянного тока обратной полярности, выполнение швов большого сечения каскадным и блочным методами. Используя перечисленные технологические приемы, стремятся максимально увеличить разогрев области шва, особенно при сварке сталей большой толщины. Существенно способствует предупреждению трещин повышение температуры разогрева более 150 ⁰С. Для достижения такого разогрева используют, в частности, каскадный метод сварки при сравнительно небольшой длине его ступени (менее 200 мм).

Режимы дуговой сварки среднелегированных сталей покрытыми электродами подбирают в зависимости от типа стержня. При ферритном стержне они не отличаются от режимов, применяемых при сварке низкоуглеродистых сталей, при аустенитном – от режимов сварки аустенитных сталей.

Сварка под флюсом.При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей из всех механизированных процессов сварка под флюсом нашла наиболее широкое применение. С ее помощью в настоящее время изготовляют конструкции разнообразного назначения, преимущественно из металла толщиной 4 – 50 мм. В отдельных случаях под флюсом сваривают и более тонкий, и более толстый металл.

По сравнению с ручной сваркой, а также другими видами механизированной сварки сварка под флюсом обеспечивает более высокую производительность. Особенно значительны ее преимущества при однопроходной сварке. В этом случае можно наиболее полно использовать особенности сварки под флюсом для глубокого проплавления основного металла, применения больших токов, а также избежания затруднений с удалением шлаковой корки.

Если соединения обладают достаточно высокой стойкостью против образования трещин и подвергаются последующей термообработке, однопроходую сварку под флюсом можно производить на режимах, применяемых при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Режимы сварки под флюсом соединений из сталей 30ХГСА и 30ХНМ, не подвергающихся последующей термообработке, приведены в таблице .

При сварке сталей и соединений с пониженной стойкостью против образования трещин (повышенное содержание углерода и легирующих примесей, большая толщина листов или большая жесткость их закрепления) приходится применять дополнительные меры: использование постоянного тока обратной полярности, предварительный подогрев или разогрев области шва при наложении многослойного шва, сварку первого слоя по присадочной проволоке и при увеличенном угле разделки кромок.

Таблица

Типичные режимы сварки под флюсом среднелегированных сталей низколегированной проволокой.

П р и м е ч а н и я: 1. Режимы сварки даны для постоянного тока обратной полярности; флюсы типа АН-42 и АН-15;

2. Стыковые швы на металле толщиной 6 мм и больше сваривают с разделкой кромок под углом 60⁰.

Для сварки под флюсом среднелегированных сталей применяют высококремнистые марганцевые флюсы АН-348-А и ОСЦ-45, низкокремнистые флюсы АН-15, АН-15М, АН-17М, АН-42, АН-20 и др. Под высококремнистыми марганцевыми флюсами сваривают соединения, к которым не предъявляются высокие требования по ударной вязкости металла шва. Обычно при использовании флюсов этого типа ударная вязкость металла шва на сталях типа 30ХГСНА не превышает 3-4 кгс·м/см² даже в соединениях, подвергающихся термообработке после сварки. К преимуществам сварки под таким флюсом следует отнести повышенную стойкость швов против образования кристаллизационных трещин.

Низкокремнистые флюсы с небольшим содержанием окислов марганца позволяют получать сварные соединения со значительно более высокими показателями ударной вязкости. Так, например, в сварных соединениях стали 30ГСНА, выполненных с применением флюса АН-15М и проволоки Св-20Х4ГМА, ударная вязкость металла шва повышается до 6-8 кгс·м/см² при σ_в = 130кгс/мм². Отмеченное улучшение качества обусловлено уменьшением содержания в металле шва фосфора и неметаллических включений, достигаемым за счет низкого содержания во флюсах фосфора и окислов марганца.

К недостаткам флюсов АН-15, АН-15М, и АН-20 следует отнести необходимость выполнения сварки на постоянном токе обратной полярности. При сварке на переменном токе в швах могут возникнуть поры. Флюс АН-42, хотя несколько уступает упомянутым флюсам в отношении ударной вязкости металла шва, однако позволяет производить сварку на переменном токе.

Сварка в защитных газах.Сварка в защитных газах находит широкое применение при изготовлении конструкций из среднелегированных сталей. К технологическим особенностям сварки среднелегированных сталей в защитных газах следует отнести тщательную осушку газа с целью предельного снижения содержания водорода в металле шва, а также использование режимов сварки, обеспечивающих понижение скорости остывания сварных соединений. Эти меры необходимы для повышения стойкости сварных соединений против образования трещин. В качестве защитных газов при сварке среднелегированных сталей применяют преимущественно углекислый газ и аргон. Для сварки пригодны режимы, рекомендованные для соединений из низколегированных сталей со снижением силы тока на 15-20%. В основном используют проволоки Св-10ХГСН2МТ, Св-10ХГСН2МТ и Св-08Х3Г2СМ.

Сварку в аргоне производят неплавящимся и в меньшей мере плавящимся электродом, в основном для изготовления ответственных конструкций из среднелегированных высококачественных сталей (σ_в >150 кгс/мм²).

Для получения сварных соединений, полностью равноценных прочности основному металлу, рекомендуется применять автоматическую аргонно-дуговую сварку с поперечными перемещениями неплавящегося электрода. Сварку осуществляют по присадочной проволоке, которая с помощью специального устройства подается в зону дуги.

Поперечные перемещения дуги оказывают многостороннее положительное влияние на качество сварных соединений, улучшается формирование шва и обеспечивается плавный переход от шва к основному металлу. Ослабляются столбчатая ориентация структуры металла шва и перегрев в околошовной зоне.

При большом токе, высоком напряжении дуги, малой амплитуде и большой частоте поперечных перемещений описанные выше положительные результаты не достигаются.

Перемещения дуги положительно влияют на качество сварных соединений не только при сварке не только при сварке среднелегированных сталей, но и во всех других случаях, когда с применением аргоно-дуговой сварки необходимо получить высокие показатели механических свойств и хорошее формирование шва.

В ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый метод увеличения глубины проплавления основного металла при арго-дуговой сварке неплавящимся электродом. Метод предусматривает нанесение на свариваемые кромки тонкого слоя специального активирующего флюса-пасты. Флюс-пасту приготовляют смешиванием химических чистых компонентов на жидком парафине. Из замеса формируют цилиндрические стержни карандаши, при помощи которых флюс наносят на свариваемые кромки посредством прочерчивания узкой полоски. Содержащихся во флюсе фториды и окислы, попадая в дугу, способствуют существенному повышению концентрации сварочного нагрева вследствие уменьшения диаметра столба дуги, увеличения температуры плазмы и плотности тока в прианодной области.

Аргонно-дуговую сварку неплавящимся электродом всегда выполняют на прямой полярности, поэтому анод расположен на основном металле. В результате существенно увеличивается глубина и уменьшается ширина проплавления основного металла. Открываются дополнительные возможности уменьшения перегрева околошовной зоны и улучшения стуктуры металла шва вследствие ускорения его кристаллизации и благодаря микролегированию через флюс-пасту металла шва титаном, цирконием, и др. Особо высокое качество сварных соединений можно получить при двухслойной или трехслойной аргонно-дуговой сварке вольфрамовым электродом с применением электрода во втором и третьем.

Следует особо отметить принципиальное значение флюсов-паст для агоно-дуговой сварки неплавящимся электродом рафинированных сталей. Как показали опыты, глубина проплавления рафинированных сталей значительно меньше, а ширина швов более чем в 2 раза больше по сравнению с этими показателями сталей обычной выплавки. Повышение силы сварочного тока без изменения глубины проплавления увеличивает лишь ее ширину. Кроме того, увеличивается перегрев металла в околошовной зоне.

Электрошлаковая сварка. Свариваемые соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных сталей, подвергающиеся последующей термообработке, наиболее целесообразно выполнять электрошлаковой сваркой. Наряду с высокой производительностью и экономичностью сварочных работ при этом обеспечиваются и высокое качество сварных соединений, главным образом благодаря высокой стойкости металла околошовной зоны и шва против образования трещин. Однако при неблагоприятных условиях при электрошлаковой сварке могут возникать кристаллизационные трещины в металле шва, а также горячие и холодные трещины типа отколов в участке перегрева околошовной зоны.

Трещины-отколы возникают преимущественно в начале шва особенно после возобновения прерванного процесса сварки, а также при большой жесткости соединяемых элементов. эти трещины, как правило, образуются через несколько часов по окончании сварки. Их образование можно предотвратить, если соединения сразу же после сварки подвергнуть высокому отпуску. Способствует предупреждению трещин и некоторые замедлению процесса сварки, достигаемое путем уменьшения силы сварочного тока и увеличения ширины шва.

Для предупреждения образования отколов при сварке жесткозакрепленных элементов применяют предварительный подогрев начального участка или всего шва. Предварительный подогрев до температуры 150-200˚ С небольшим для предупреждения участка круговых швов толстостенных сосудов толщиной более 100мм.

Характер образования горячих трещин в околошовной зоне среднелегированных сталей не отличается от характера образования подобных дефектов при сварке сталей других типов. Наиболее действенной технологической мерой предупреждения подобных дефектов является применение режимов сварки, обеспечивающих получение широких швов с глубоким проплавлением свариваемых кромок.

Ограничения перегрева в околошовной зоне и предупреждения образования грубокристаллической структуры в металле шва можно достигнуть также следующими приемами : 1) уменьшением зазора между кромками, использованием сварочных проволок малых диаметров ( 1,6-2 мм) и больших вылетов электрода; 2) осуществлением выделения основной части энергии в зоне в зоне сварки непосредственно у ползунов и ускорением в результате этого охлаждения соединения. В отдельных случаях такое ускорение охлаждения достигается путем опрыскивания соединения водой при помощи специального устройства; 3) прерывистой подачей энергии в зону сварки при помощи специальных прерывателей. При этом обеспечивается минимальное, но достаточное проплавление свариваемых кромок, а ширина участка перегрева уменьшается.

Благодаря применению рассматриваемых методов непрерывно расширяется номенклатура ответственных сварных конструкций, изготовляемых электрошлаковой сваркой без высокотемпературной обработки вообще или же при замене печной обработке местной термообработкой соединений.

Электроннолучевая сварка. Этот вид сварки целесообразен во всех случаях, когда необходимо с высокой производительностью и при ограниченной термообработке получить сварные соединения, равнопрочные с основным металлом – высококачественной металлургически и термически улучшенной среднелегированной сталью. Соединения, сваренные электронным лучом, отличается высокой стойкостью против образования холодных трещин, а также минимальной величиной сварочных деформаций. Отмеченные преимущества способа обусловлены высокой концентрацией и большой скоростью нагрева, кинжальной формой проплавления основного металла, большими скоростями кристаллизации и охлаждения сварочной ванны и сварного соединения в целом.

Погонная энергия однопроходной электроннолучевой сварки в несколько раз меньше, чем при других видах сварки плавлением. Так, в случае стыкового соединения металла толщиной 30 мм она составляет примерно 3 ккал/см при электроннолучевой и 30 ккал/см при дуговой сварке под флюсом. Благодаря большим скоростям нагрева и охлаждения в электроннолучевых соединениях формируется весьма мелкозернистая структура металла шва и предельно ограничиваются перегрев и разупрочнение околошовной зоны. Ширина столбчатых кристаллитов и ликвационных прослоек по их границам электроннолучевой сварке значительно меньше, чем при дуговой однопроходной сварке стали такой же толщины.

Электрошлаковая сварка с большой скоростью значительно повышает производительность процесса в особенности при замене многослойной электродуговой сварки однопроходной электроннолучевой. Сопоставление режимов и погонной энергии сварки, показателей прочности и степени разупрочнения для сварных соединения высокопрочной стали 42Х2ГСНМА (σ_в = 205 кгс/мм², δ = 4,5 мм) приведено в таб.10-14.

При электроннолучевой сварке термоупрочненных сталей сварные соединения практически равноценны основному металлу, тогда как при аргонно-дуговой сварке эти соединения имеют значительное разупрочнение. При других способах сварки плавлением таких показателей достичь также не удается. Указанная разница в свойствах еще более резко проявляется при испытании соединений в условиях двухосного растяжения и при оценке конструктивной прочности соединений.

К трудностям электроннолучевой сварки среднелегированных сталей средних и больших толщин относится чувствительность 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 более 0,2% С в швах возникают кристаллизационные трещины. Если содержание кислорода с стали превышает 0,02%, электроннолучевая сварка становится практически невозможной из-за повышенного разбрызгивания жидкого металла и образования пор в шве. В то же время при сварке сталей толщиной до 25 мм при соответствующем выборе режима сварки обеспечиваются качественное соединение без пор и трещин даже при содержании 0,3% С.

При больших толщинах основного металла особо существенное значение приобретает точность ведения луча по стыку, так как вследствие кинжальной формы проплавления незначительное смещение луча от линии сварки или небольшой его перекос приводит к образованию непроваров.

Состав и свойства высоколегированных сталей и сплавов.

Высоколегированными называют стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5- 55%. Высоколегированные сплавы подразделяют на две большие группы: а) сплавы на железоникелевой основе и б) сплавы на никелевой основе. К железоникелевым отнесли сплавы, структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. К никелевым отнесены сплавы, структура которых является твердым раствором хрома других легирующих элементов в никелевой основе.

Ферритные – ОХ13, Х14, Х17.

Фустенитно-мартенситовые – Х16Н6, Х15Н9Ю.

Аустенитные – ОХ18Н12Т, 45Х15Г15СЮ.

ХН35, ХН35ВТР, Х20Н80, ХН78Т, ХН70МВТЮБ. Они не претерпевают структурных превращений при охлаждении на воздухе от высоких температур. Нашли применения новые высоколегированные стали и сплавы: аустенитно-боридовые – Х18Н12БР1; мартенисто-стареющие 00Х18К9М5Т; высокохромистые (45-65% Cr) аустенитные – ХН35ВЮ, ХН50.

Высоколегированные стали и сплавы различают также по системе упрочнения : карбидные, боридные, с интерметаллидным упрочнением и др. Стали и сплавы, легированные углеродом имеют карбидное упрочнение. Этот тип упрочнения характерен в основном для жаропрочных и жаростойких сталей. Достигается такое упрочнение при выдержке стали в интервале температур 600-650˚ С и при образовании в ней в результате этого сложных карбидов железа, хрома, ванадия, ниобия, вольфрама типа Ме₂₃С₆, Ме₆С, Ме₂С и др.

Никелесодержащие стали и сплавы, легированные титаном и алюминием, упрочняются вследствие образования при температуре 650-850˚ С мелкодисперсных частиц – интерметаллидов типа Ni₃ (Ti Al), (Ni Fe)₂ Ni и др. Это так называемое интерметаллидное упрочнение характерно в основном для жаропрочных сталей и сплавов. Например, упрочнение стали Х12Н22Т3МР (ЭП33) с 2,6-3,2% Ti достигается образованием интерметаллидов Ni₃Al, а сплава ХН35ВТЮ (ЭИ787) с 2,8-3,2% Ti и 0,7-1,7% Al – интерметаллидов Ni₃ (Ti Al).

Стали и сплавы в большинстве случаев содержат несколько легирующих элементов, поэтому упрочнение их обычно бывает комплексным, например карбидное и интер-металлидное или же интер-металлидное и карбидное.

Общий термин <высоколегированные стали сплавы> объединяет группы материалов, существенно отличающихся друг от друга не только по химическому составу и стуктуре, но также и по назначению и эксплуатационным свойствам.

Общим признаком для большинства высоколегированных сталей являются их пониженный по сравнению с углеродистыми сталями коэффициент теплопроводности, большой коэффициент линейного расширения, а также значительная линейная усадка. В виде примера можно привести следующие данные: коэффициент теплопроводности аустенитной стали типа 18-8 составляет 0,040 кал/(см·с·град) по сравнению с 0,096 кал/(см·с·град) для углеродистой стали ВСт3; коэффициент линейного расширения соответственно равен 17·10^-6 и 12·10^-6, а удельное электросопротивление 0,73 и 0,15 ом·мм²/м.

2. Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов.