Краткие данные о сварке с использованием электрической энергии.

Краткие данные о сварке с использованием
электрической энергии.
С переходом к постройке сварных судов 60-70% объема работ по сборке
и сварке выполняется в сборочно-сварочных цехах. В этих цехах изготовляются
секции и блоки, которые затем передаются на построечное место, где их
сваривают в общий корпус.
В сборочно-сварочных цехах широкое распространение получил
поточный метод изготовления узлов и секций с непосредственным
обеспечением всех линий деталями, узлами и изделиями насыщения. При
сборке широко применяются механизмы и устройства, позволяющие
фиксировать взаимное положение элементов конструкций с целью резкого
сокращения сборочных прихваток. В то же время последние остаются
необходимым элементом сборки, и сборка с их применением отличается от
сварки кратковременности выполнения операций (3-5с).
Основным технологическим процессом в сборочно-сварочном и блочностапельном производстве является дуговая сварка. Она осуществляется путем
нагрева металла до жидкого состояния в месте соединения деталей.
Электрическая дуга - самый распространенный источник теплоты,
используемый для сварки плавлением. Дуга может гореть между электродами и
изделием или между двумя электродами расположенным над изделием. Дуговая
сварка может выполняться на переменном и постоянном токе в различных
газовых средах.
Из сварочных работ в сборочно-сварочных цехах широко применяются
автоматическая и полуавтоматическая сварка (80-85% общего объема сварки), в
том числе сварка в углекислом газе и одностороння сварка полотнищ с
двусторонним формированием шва.
При выполнении вертикальных, потолочных швов, криволинейных швов
и швов в труднодоступных местах используется ручная дуговая сварка
покрытыми электродами. Покрытие содержит вещества, необходимые для
создания газовой и шлаковой защиты металла от воздуха и для физикохимической обработки жидкого металла с целью улучшения его качества. При
изготовлении стальных судовых конструкций объем этих работ составляет 2535%. Недостатками ручной сварки являются значительные потери электродного
металла и плохие гигиенические условия на рабочем месте сварщиков.
В отрасли также применяется ручная сварка плавящимся и
неплавящимся электродами в аргоне и в смеси углекислого газа и аргона.
Однако, преимущественное применение имеют плавящиеся электроды. С их
помощью можно сваривать всевозможные стали, медные и алюминиевые
сплавы, чугун.
Разновидностью дуговой сварки является сварка в защитных газах.
Защита контактных поверхностей аргоном применяется при сварке
высокоактивных по отношению к кислороду и азоту материалов. Защита
углекислым газом применяется при сварке углеродистых, низколегированных и
некоторых хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей. Сварка в
углекислом газе характеризуется большими потерями электродного металла.
При сварке в аргоне и некоторых смесях аргона с кислородом и углекислым
газом эти потери значительно меньше. Важной особенностью сварки в
защитных газах является возможность выполнения вертикальных и потолочных
швов.
1
Сварка под флюсом - другая разновидность дуговой сварки. Защита
пространства, окружающего зону сварки от вредного излучения дуги,
осуществляется применением специальных порошков - флюсов. Дуга при этом
способе сварки горит в газовом пузыре, надежно защищаемом от воздуха слоем
расплавленного флюса-шлака и твердого флюса. Этот вид сварки выполняется
только автоматами и полуавтоматами. При сварке под флюсом затраты
сварочной проволоки и электроэнергии по сравнению с затратами при ручной
дуговой сварке незначительны.
Сварка и резка плазменной дугой находит все более широкое
применение в различных отраслях промышленности, в том числе и в
судостроении. Плазменная дуга характеризуется весьма высокой температурой
(до 30 000 С) и широким диапазоном регулирования ее технологических
свойств. Для сварки используется теплота, выделяемая плазмой дуги ионизированным газом. Этим газом заполняется межэлектродное пространство.
Дуга создается с помощью неплавящегося электрода (чаще вольфрамового).
Струя плазмы плавит металл и выбрасывает его брызги из зоны сварки.
Плазменная дуга применяется также для сварки тугоплавких металлов,
металлов с неметаллами, для наплавки металлических слоев на поверхность
деталей и нанесения покрытий путем расплавления электродной или
дополнительно подаваемой в дугу присадочной проволоки. Плазменная дуга
широко используется для резки металла.
При постройке судов применяются следующие сварочные материалы: 19
видов электродов с покрытием (УОНИ 13/45А, 48-11,13,15,ЭА-400/10У,400/13 и
др.)- для ручной сварки, 11 типов сварочной проволоки - для сварки в аргоне
(Св-07Х18МД, Св-08ГС, Св-04Х19Н11МЗ и др.), 18 типов проволоки и флюсов
- для автоматической сварки под флюсом (проволока Св-08А, флюс ОСЦ-45,
проволока Св-04Х19Н11МЗ, флюс ОФ-6 и др.), 5 типов проволоки и флюсов для электрошлаковой сварки (проволока Св-19 Г2, флюс ОФ-06 и др.), 6 типов
проволоки для сварки в углекислом газе (Св-06Г2С, Св-08ГС и др.) и другие
материалы для специальных видов сварки.
В зависимости от применяемого способа создания физического контакта
соединяемых поверхностей с помощью электрической энергии используют
различной виды дуговой сварки.
2
Ручная электродуговая сварка плавящимся электродом
Особенностью ручной сварки в судостроении является выполнение ее в
основном на нестационарных рабочих местах, в малых по объему секциях и
блоках, в различных пространственных положениях. Наиболее широко ручная
сварка применяется при работах на стапеле, монтаже и сборке секций, а также
при достроечных работах.
По химическому составу стержни электродов изготовляют из сварочной
проволоки (ГОСТ2246-70), они разделяются на низкоуглеродистые,
легированные и низколегированные.
Покрытие электрода (обмазка) предназначена для улучшения качества
сварного шва, стабилизации дуги, образования газовой защиты и предохранения
расплавленного металла от окисления. Количество обмазки по отношению к
весу стержня составляет 30-40%.
Электроды с фтористо-кальциевым покрытием. Применяется
несколько типов таких электродов. Электроды с фтористо-кальциевым
покрытием типа АНО относятся к числу сравнительно новых сварочных
материалов. Они обладают улучшенными технологическими свойствами и
предназначены для сварки особо ответственных конструкций. Сварку ими
можно производить в любом пространственном положении.
Электроды типа АНО-7,АНО-8,АНО-9 и АНО-10 имеют одинаковый
стержень, состоящий из проволоки Св-08А, но отличаются один от другого
количеством и химическим составом компонентов покрытия.
У электродов типа АНО в составе покрытий содержатся следующие
основные элементы: железный порошок, рутиловый концентрат,
ферромарганец, слюда, целлюлоза, плавиковый шпат, мрамор, ферросилиций,
карбоксиметилцеллюлоза и некоторые другие.
Хромоникелевые электроды. Электроды марок ЭА-400/10Уи ЭА-48А-2
хорошо зарекомендовали себя при сварке стальных конструкций, работающих
при температурах до 350 С в контакте с агрессивной средой. Технологические
преимущества этих электродов подтверждены исследованиями В.В.Ардентова,
Т.И.Иванова, Г.Л.Петрова. Однако значительное содержание в стержне и
покрытии токсических веществ потребовало детального изучения сварочного
процесса с гигиенической точки зрения.
Ручная сварка с подогревом. Ручная дуговая сварка может
выполняться с предварительным и параллельным нагревом свариваемых
конструкций.
При ручной сварке с подогревом применяются электроды Цл-41,ЦЛ-27, в
состав которых входит до 15% хрома, а в обмазку - плавиковый шпат (до 22%),
ферромарганец и ферросилиций (по 4 %), феррохром (7?), ферромолибден (5%)
и другие соединения.
3
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ДУГОЙ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Сущность и техника сварки дугой, вращающейся в магнитном поле. Интересно
применение дуги при перемещении ее специально создаваемым внешним
магнитным полем. На рис. 1 а показана схема сварки кольцевых стыков труб.
Дуга вращается по внутренней поверхности кольцевого медного охлаждаемого
водой электрода и по внешней поверхности свариваемых кромок труб.
Взаимодействие магнитного поля дуги, создаваемого радиально направленным
током и аксиально направленным магнитным полем в зазоре между трубами и
электродом, создаваемым внешним электромагнитом, вызывает перемещение
дуги. После необходимого разогрева кромок труб происходит их осадка вдоль
оси труб. Трубы с толщиной стенки до 1,5 мм собирают без зазора и сваривают
без осадки.
Рис. 1. Сварка дугой, вращающейся в магнитном поле:
а - дуга, горящая между неплавящимся электродом и поверхностью трубы;
б - дуга, горящая между кромками свариваемых труб;
в - дуга, горящая между вольфрамовым электродом и поверхностью изделия:
1 - трубы; 2 - катушка или катушки электромагнитов;
3 - дуга; 4 - электрод; 5 - трубная доска
При сварке по схеме, представленной на рис. 1 б, трубы собирают с
определенным зазором. Дуга возбуждается в зазоре между кромками;
направление тока дуги совпадает с осью труб. Катушки создают внешние
магнитные потоки, направленные встречно, что приводит к созданию в зазоре
между трубами радиальной составляющей магнитного поля. Взаимодействие
радиальной составляющей с магнитным полем дуги приводит к перемещению
дуги по кромкам труб. После их оплавления производят осадку труб вдоль их
оси.
Трубы к трубной решетке (рис. 1, в) также приваривают дугой, перемещаемой
под влиянием совместного взаимодействия продольного магнитного поля и
магнитного поля дуги. Анодное пятно дуги находится на вольфрамовом
электроде. Скорость перемещения дуги по кромке трубы достигает нескольких
метров в секунду, и зрительно создается впечатление горения одной конусной
дуги.
В рассмотренных случаях перемещения дуги в магнитном поле ее скорость
зависит от величины сварочного тока, напряженности внешнего магнитного
4
поля, металла изделия и ряда других условий сварки. Используя бегущее
магнитное поле, такое же как в статорах электродвигателей переменного тока,
можно управлять скоростью вращения дуги.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ
Широкое применение этого способа в промышленности при производстве
конструкций из сталей, цветных металлов и сплавов объясняется высокой
производительностью процесса и высоким качеством и стабильностью свойств
сварного соединения, улучшенными условиями работы, более низким, чем при
ручной сварке, расходом сварочных материалов и электроэнергии.
К недостаткам способа относится возможность сварки только в нижнем
положении ввиду возможного стекания расплавленных флюса и металла при
отклонении плоскости шва от горизонтали более чем на 10 ... 15°.
Сущность способа.
Наиболее широко
распространен процесс с
использованием одного
электрода - однодуговая
сварка. Сварочная дуга
горит между голой
электродной проволокой
1 и изделием,
находящимся под слоем
флюса 3 . В
расплавленном флюсе 5
газами и парами флюса и
расплавленного металла
образуется полость -газовый пузырь 4, в котором существует сварочная дуга.
Давление газов в газовом пузыре в сочетании с механическим давлением,
создаваемым дугой, оказывается достаточным для оттеснения жидкого металла
из-под дуги, что улучшает теплопередачу от нее к основному металлу.
Повышение силы сварочного тока увеличивает механическое давление дуги и
глубину проплавления основного металла.
Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны 7 приводит к
образованию сварного шва 6. Затвердевший флюс образует шлаковую корку 8
на поверхности шва. Расплавленный флюс, образуя пузырь и покрывая
поверхность сварочной ванны, эффективно защищает расплавленный металл от
взаимодействий с воздухом. Металлургические взаимодействия между
расплавленным металлом и шлаком способствуют получению металла шва с
требуемым химическим составом. В отличие от ручной дуговой сварки
5
металлическом электродом при сварке под флюсом, так же как и при сварке
плавящимся электродом в защитных газах, токоподвод 2 к электродной
проволоке осуществляется на небольшом расстоянии (вылет электрода) от дуги
(до 70 мм). Это позволяет без перегрева электрода использовать повышенные
сварочные токи (до 2000 А). Плотность сварочного тока достигает 200 ... 250
А/мм2, в то время как при ручной дуговой сварке не превышает 15 А/мм2. В
результате повышается глубина проплавления основного металла и скорость
расплавления электродной проволоки, т.е. достигается высокая
производительность процесса.
Сварку под флюсом можно осуществлять переменным и постоянным током.
Подача электродной проволоки в дугу и перемещение ее осуществляется
специальными механизмами. Существуют разновидности сварки под флюсом,
когда в некоторых случаях целесообразно применение двухдуговой или
многодуговой сварки. При этом дуги питаются от одного источника или от
отдельного источника для каждой дуги. При сварке сдвоенным (расщепленным)
электродом (рис. 1, а) дуги, горящие в общую ванну, питаются от одного
источника.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ НИЗКО- И СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ
СТАЛЕЙ
Сварка низколегированных бейнитно - мартенситных сталей
Сварочные материалы. Электроды для ручной электродуговой сварки имеют
низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяют
электроды типа Э70 по ГОСТ 9467-75. Сварку выполняют постоянным током
при обратной полярности. Металл, наплавленный электродами, должен
соответствовать следующему химическому составу, %: С до 0,10; Мn 0,8 ... 1,2;
Si 0,2 ... 0,4; Cr 0,6 ... 1,0; Мо 0,2 ... 0,4; Ni 1,3 ... 1,8; S до 0,03; Р до 0,03.
Проволока для сварки в углекислом газе и смесях аргона с углекислым газом.
При сварке в углекислом газе применяют проволоку марок Св-08Г2С, Св10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246-70) или порошковую проволоку.
Проволока марки Св-10ХГ2СМА обеспечивает прочность металла шва до 680
МПа и ударную вязкость до 25 Дж/см2 при температуре -60 °С. Металл шва,
выполненного проволокой марки Св-08ХН2Г2СМЮ, имеет показатели
прочности до 850 МПа и KCU до 40 Дж/см2 при температуре -70 °С.
Благоприятное сочетание показателей механических свойств металла швов при
сварке сталей с прочностью 580 ... 700 МПа позволяют получать порошковые
проволоки с сердечником рутилфлюоритного типа.
При сварке высокопрочных сталей в смесях на базе аргона (78 % Аr + 22 % СО2
или 75 % Аr + 20 % СО2 + 5 % О2) используют проволоку марки Св08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и
хладостойкость металла швов при сварке сталей с прочностью до 700 МПа.
Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с
катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетом в большинстве
случаев используют проволоку марки Св-08Г2С. Эту проволоку применяют
6
также при сварке низкоуглеродистых бейнитно - мартенситных сталей с
низколегированными сталями повышенной прочности 09Г2, 10Г2С1, 14Г2,
10ХСНД и 15ХСНД.
Флюсы и сварочные проволоки. При автоматической сварке бейнитно мартенситных сталей применяют низкокремнистые окислительные флюсы.
Сварку выполняют проволоками Св-08ХН2ГМЮ или Св-08ХН2Г2СМЮ на
постоянном токе обратной или прямой полярности. Это позволяет получать
наплавленный металл с достаточно низким содержанием диффузионного
водорода, неметаллических включений, серы и фосфора.
Сварка покрытыми электродами. Сварочный ток выбирают в зависимости от
марки и диаметра электрода; при этом учитывают положение шва в
пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла. При
выполнении многослойных швов особое внимание уделяют качественному
выполнению первого слоя в корне шва.
Разделки кромок заполняют в зависимости от толщины металла любым из
известных способов наложения швов. Последовательное наложение швов
применяют при сварке металла толщиной до 25 мм. Каскад и горку используют
при сварке металла большей толщины. Выбор схемы заполнения разделки
кромок определяется необходимостью сохранить температуру подогрева
металла в процессе сварки.
Сварку технологических участков следует производить без перерывов, не
допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры
предварительного подогрева и нагрева его перед выполнением следующего
прохода выше 200 °С. При многопроходной сварке предварительный подогрев
может использоваться только при выполнении первых проходов.
Сварка в защитных газах. Диаметр проволок сплошного сечения при сварке в
углекислом газе и смесях газов выбирают в зависимости от толщины
свариваемого металла и пространственного положения шва. Проволоками
диаметром 1,0 ... 1,4 мм сваривают соединения толщиной 3 ... 8 мм, швы в
различных пространственных положениях, а также корневые слои
многослойных соединений. В остальных случаях используют проволоку
диаметром 1,6 мм.
Сварку в смесях на основе аргона выполняют проволокой марки Св08ХН2ГМЮ, при этом практически отсутствует разбрызгивание, швы имеют
хороший внешний вид.
Сварка под флюсом. Сварку под флюсом выполняют на постоянном токе
обратной полярности. Сила сварочного тока не превышает 800 А, напряжение
дуги до 40 В, скорость сварки изменяют в диапазоне 13 ... 30 м/ч.
Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной
до 8 мм и выполняют на остающейся стальной подкладке или флюсовой
подушке.
Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых
двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений
без скоса кромок (односторонних и двусторонних) используют проволоку марки
7
Св-08ХН2М. Применять более легированные проволоки для таких соединений
нецелесообразно, поскольку в этом случае швы имеют излишне высокую
прочность.
Наиболее часто стыковые соединения подготавливают со скосом кромок.
Сварку корневых швов стыковых соединений высокопрочных сталей с V- или
Х-образной разделкой кромок обычно выполняют проволоками марок Св-08ГА
или Св-10Г2. Заполнение разделок кромок осуществляется проволоками марок
Св-08ХН2ГМЮ или Св-08ХН2ГСМЮ последовательным наложением слоев.
Электрошлаковая сварка. При электрошлаковой сварке низкоуглеродистых
легированных сталей применяют технологические приемы, позволяющие
повысить скорость охлаждения сварного соединения, например сопутствующее
дополнительное охлаждение зоны сварки. При этом ниже ползуна
устанавливается специальное устройство, которое охлаждает водой шов и зону
термического влияния, что обеспечивает получение требуемой структуры и
механических свойств этого участка сварного соединения.
Сварка среднелегированных мартенситно - бейнитных сталей
Для обеспечения эксплуатационной надежности сварных соединений
необходимо при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов
такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы
требуемые значения. Характер изменения этих свойств зависит от доли участия
основного металла в формировании металла шва. Поэтому, как правило, следует
выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих
элементов меньше, чем основной металл.
Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить
свойства шва до необходимого уровня. Однако следует помнить, что доля
участия основного металла в металле шва, а значит, и степень легирования
зависят от способа сварки, применяемого режима и других технологических
приемов. Для обеспечения технологической прочности сварных швов,
выполненных низколегированными сварочными материалами, содержание
углерода в них не должно превышать 0,15 %, так как дальнейшее увеличение
содержания углерода резко повышает склонность металла швов к образованию
горячих трещин, а также существенно снижает пластичность и особенно
ударную вязкость металла шва в эксплуатационных условиях. Необходимых
прочностных характеристик металла шва достигают легированием его
элементами, которые, повышая прочность, не снижают существенно его
деформационную способность и ударную вязкость.
Высокую технологическую прочность и работоспособность можно получить,
если содержание легирующих элементов в металле шва не превысит (в %): 0,15
С; 0,5 Si; 1,5 Мn; 1,5 Сr; 2,5 Ni; 0,5 V; 1,0 Mo; 0,5 Nb. Комбинируя различные
легирующие элементы в указанных пределах, можно получить швы с
временным сопротивлением до 600 ... 700 МПа в исходном после сварки
состоянии и 850 ... 1450 МПа после соответствующей термообработки.
При сварке среднелегированных глубоко прокаливающихся высокопрочных
сталей необходимо выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат
получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при
8
минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это может
быть достигнуто применением низколегированных сварочных электродов, не
содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых
высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды). Одновременно
при выполнении сварки необходимо исключение других источников насыщения
сварочной ванны водородом (влаги, ржавчины, органических загрязнений на
кромках и др.).
Наиболее широко для сварки этих сталей применяют аустенитные сварочные
материалы. В большинстве случаев в шве стремятся получить
высоколегированную аустенитную хромоникелевую или
хромоникелемарганцовистую сталь. Такой металл обладает высокой
пластичностью и не претерпевает полиморфных превращений, т.е. сохраняет
аустенитную структуру во всем диапазоне температур, вследствие этого
растворимость водорода в шве с понижением температуры изменяется
незначительно, а проницаемость его мала. Для механизированной сварки и
изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки
марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 электроды типа
ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для
механизированной сварки - основные флюсы.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктивные элементы
подготовки кромок для ручной дуговой сварки покрытыми электродами такие
же, как и для сварки углеродистых сталей в соответствии с рекомендациями
ГОСТ 5264-80.
Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды
типов Э-08Х21Н10Г6, Э-13Х25Н18, Э-10Х16Н25АМ6 и др. по ГОСТ 10052-75 и
ГОСТ 9467-75 (табл. 1).
Если сталь перед сваркой подвергают термообработке на высокую прочность
(нормализация или закалка с отпуском), а после сварки - отпуску для снятия
напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения с
целью обеспечения его равнопрочности с основным металлом, то критерием
определения температуры предварительного подогрева будет скорость
охлаждения, при которой происходит частичная закалка околошовной зоны, но
гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения
последующей термообработки.
Если сталь перед сваркой подвергают термообработке, но после сварки отпуск
невозможен из-за крупных размеров конструкции, то сталь данной марки можно
использовать для изготовления такой конструкции только в том случае, если нет
жестких требований к равнопрочности сварного соединения и основного
металла в условиях статического нагружения. Для обеспечения свойств
сварного соединения, гарантирующих требуемую его работоспособность,
критерием для выбора необходимой температуры подогрева является диапазон
скоростей охлаждения, обеспечивающий необходимый уровень механических
свойств в околошовной зоне. Аустенитными электродами обычно сваривают без
предварительного подогрева, но при этом регламентируется время с момента
окончания сварки до проведения термообработки изделия. При сварке
9
среднелегированных сталей с невысоким содержанием углерода (0,12 ... 0,17 %)
последующую термообработку проводят в исключительно редких случаях.
Табл. 1 Электроды для дуговой сварки конструкционных сталей и
механические свойства металла шва
Марк
а
стали
Термическая обработка
Тип Механически
элект е свойства, не
рода
менее
σв, МПа КСU,
Дж/с
м2
25ХГС Закалка и отпуск после сварки на σв < 900 МПа Закалка и Э70
А
отпуск после сварки на σв > 900 МПа Сварка в
упрочненном состоянии без после­дующей термической Э85
30ХГС
обработки
Э85
А
Э10Х20
Н9Г6
С
25ХГС
А
30ХГС
А
60
800
50
800
50
600
90
600
90
Э11Х15
Н25М
6АГ2
25ХГС
А
30ХГС
А
12Х2Н
ВФА
23Х2Н
ВФА
700
Закалка и отпуск после сварки на σв > 1000 МПа
Сварка в упрочненном состоянии без после­дующей
термической обработки
12Х2Н
ВФА
23Х2Н
ВФА
30ХГС Закалка и отпуск по­сле сварки на σв = 1600... 1800 МПа
НА
Сварка в упрочненном состоянии без после­дующей
30ХГС
термической обработки
НА
Э85
0,90 σв 60
основ­но
Э100
50
го
металла
Э60
10Х20 900
90
Н9Г6
С,
600
Э11Х15
Н25М
6АГ2
900
50
1400
40
600
90
Разделку заполняют каскадом или горкой. Температура охлаждения зоны
термического влияния в процессе сварки допускается не ниже Tв = 150 ... 200
10
°С. Когда термообработка сварного изделия не может быть выполнена
(например, из-за крупных размеров), на кромки детали, подлежащие сварке,
наплавляют аустенитными или низкоуглеродистыми (низководородистыми)
электродами незакаливающийся слой металла такой толщины, при которой
температура стали под слоем в процессе выполнения сварки не превысит
температуру отпуска при термообработке деталей с наплавленными кромками.
Детали с наплавленными кромками сваривают аустенитными или
низкоуглеродистыми и низководородистыми электродами без подогрева и
последующей термообработки. Режимы сварки принимают в соответствии с
рекомендациями для аустенитных электродов.
Сварка в защитных газах. Высокое качество сварных соединений толщиной 3
... 5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При
выборе присадочного материала (электродной проволоки) для дуговой сварки в
среде защитных газов следует руководствоваться табл. 2. Первый слой
выполняют без присадки с полным проваром кромок стыка и обратным
валиком, второй - с поперечными низкочастотными колебаниями электрода и
механической подачей присадочной проволоки. Возможен и третий слой с
поперечными колебаниями электрода без присадочной проволоки со стороны
обратного формирования на небольшом режиме для обеспечения плавного
перехода от шва к основному металлу.
Для увеличения проплавляющей способности дуги при аргонодуговой сварке
сталей применяют активирующие флюсы (АФ). Применение АФ повышает
проплавляющую способность дуги, что обеспечивает возможность исключения
разделки кромок при толщинах 8 ... 10 мм. Для сварки сталей применяют флюс,
представляющий собой смесь компонентов (SiO2, NaF, TiO2, Ti, Cr2O3). Сварка
с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной
глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из
наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама. Сочетают
применение АФ с поперечными низкочастотными колебаниями электрода при
выполнении поверхностных слоев шва для обеспечения плавного перехода от
шва к основному металлу. После сварки, не позднее чем через 30 мин, сварные
соединения с ферритными швами подвергают высокому отпуску при 600 ... 650
°С в течение 2 ч. Затем производится окончательная термическая обработка по
режиму основного металла.
Табл. 2 Присадочные материалы и механические свойства сварных
соединений при дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах
11
Марка
стали
Термическая обработка
Марка
проволоки
при сварке в
среде
инертн углеки
ых
слого
газов газа
25ХГСА
Закалка и отпуск после сварки
KCU,
Дж/с
м2
не менее
0,9 σв
основ­ного
металла
50
12Х2НВ Сварка в термиче­ски обработанном
СвСв0,9 σв
ФА
состоянии без по­следующей
18ХМА 08ГСМ основ­ного
тер­мической обра­ботки
Т
металла 600
23Х2НВ
СвФА
18ХМА Св08ГСМ
23Х2НВ
СвТ
ФА
8Х21Н
10Г6, Св08Х20
Св- Н9Г7Т
8Х20Н
9Г7Т,
40
12Х2НВ
ФА
23Х2НВ
ФА
0,9 σв
основ­ного
металла
60
30ХГСА
СвСв18ХМА 18ХМА
,
,
σв, МПа
СвСВ18ХГС 18ХГС,
Св08ГСМ
Т
Закалка + отпуск после сварки
СвСв18ХМА 08ГСМ
Т
90
40
30Х2ГС Закалка + отпуск после сварки: на σв = СвНВМА
1700 ±100 МПа
20Х2Г
СНВМ
-
0,9 σв
основ­ного
-
42Х2ГС
НМА
-
(0,9- 0,95) σв
основного
металла
-
на σв = 2000 ± 100 МПа
Св20ХСН
ВФАВ
Д
Сварка плавящимся электродом в среде защитных газов находит широкое
применение при изготовлении конструкций из среднелегированных
высокопрочных сталей средней и большой толщины. Конструктивные элементы
подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в
соответствии с требованиями ГОСТ 14771-76 (в ред. 1989 г.). В зависимости от
12
разновидности способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна
быть различной.
При сварке в инертных газах в сварочной ванне могут протекать
металлургические процессы, связанные с наличием в ней растворенных газов и
легирующих элементов, внесенных из основного или присадочного металла.
При использовании смесей инертных газов с активными возникают
металлургические взаимодействия между элементами, содержащимися в
расплавленном металле, и активными примесями в инертном газе.
Если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода, то при
высоких концентрациях углерода будет протекать реакция окисления его. Если
концентрация углерода в сварочной ванне в период кристаллизации будет
достаточно высокой, то при отсутствии или недостатке других раскислителей
реакция образования СО будет продолжаться, что может вызвать
порообразование. Возникновению пор способствует также и водород,
содержание которого при малой степени окисленности ванны может быть
достаточно высоким.
Для подавления реакции окисления углерода в период кристаллизации металла
шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество
раскислителей, например кремния или марганца. Наряду с этим устранение пор
при отсутствии раскислителей при сварке с защитой аргоном может быть
достигнуто некоторым повышением степени окисленности ванны за счет
добавки к аргону кислорода (до 5 %) или углекислого газа (до 25 %) в смеси с
кислородом (до 5 %). При этом интенсифицируется окисление углерода в зоне
высоких температур (в головной части сварочной ванны), усиливается его
выгорание, вследствие чего концентрация углерода и содержание кислорода в
сварочной ванне к моменту начала кристаллизации уменьшаются и тем самым
прекращается образование СО.
При сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в
большинстве случаев инертных или их смесях с активными) используют
низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколегированные
проволоки, например Св-10ХГСН2МТ, Св-03ХГНЗМД, Св-08Х20Н9Г7Т, Св10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6 (табл. 2). Однако равнопрочности металла
шва и свариваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность
сварного соединения и основного металла 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.
В наиболее полной степени эффект контактного упрочнения может быть
реализован при применении так называемой щелевой разделки,
представляющей собой стыковые соединения с относительно узким зазором.
Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять
полуавтоматическую сварку в защитных газах короткими и средней длины
участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между
наложением слоев многослойного шва. Возможно применять автоматическую
двух- или многодуговую сварку дугами, горящими в различных плавильных
пространствах таким образом, чтобы тепловое воздействие от выполнения
последующего слоя на околошовную зону предыдущего происходило при
необходимой температуре. Все это позволяет регулировать термический цикл и
получать наиболее благоприятные структуры в околошовной зоне.
13
Сварка под флюсом. Конструктивные элементы подготовки кромок под
автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом выполняют такими
же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся
конструкционных сталей, т.е. в соответствии с рекомендациями ГОСТ 8713-79
(в ред. 1990 г.). Однако в диапазоне толщин, для которого допускается сварка
без разделки и со скосом кромок последней следует отдать предпочтение.
Наряду с затруднениями, связанными с образованием холодных трещин в
околошовной зоне, при механизированной сварке под флюсом швы имеют
повышенную склонность к образованию горячих трещин. Это связано с тем, что
при данном способе сварки доля основного металла в металле шва достаточно
велика. В связи с этим в шов с расплавленным основным металлом поступают
легирующие элементы, содержащиеся в свариваемой стали, в том числе и
углерод, концентрация которого в сталях этой группы достаточно высока.
Рис. 1. Влияние содержания углерода, серы и марганца в металле шва на
склонность к образованию горячих трещин (схема): [С]3>[С]2>[С]1
Влияние содержания углерода, серы и марганца в шве на склонность к
образованию горячих трещин схематически представлено на рис. 1. Линия 1
служит границей раздела составов с низким содержанием углерода [С]1, при
которых образуются или не образуются горячие трещины. При повышенном
содержании углерода [С]3 такой границей будет линия 3, в этом случае даже
при низком содержании серы и большой концентрации марганца в шве могут
возникнуть горячие трещины. При механизированной сварке под флюсом
необходимы подготовка кромок, техника и режимы сварки, при которых доля
основного металла в шве будет минимальной.
На рис. 2 показано влияние сварочного тока и скорости сварки на долю участия
основного металла в образовании шва. Доля участия γ0 растет с увеличением
тока и скорости сварки. Для уменьшения γ0 сварку следует проводить на
минимально возможных силах тока и скоростях сварки, обеспечивающих
получение швов заданных размеров и формы. Кроме того, для уменьшения γ0
следует отдавать предпочтение разделке кромок под сварку. При использовании
для сварки низкоуглеродистых проволок в полной мере можно реализовать
преимущество сварки под флюсом; получать швы с глубоким проплавлением,
повышая при однопроходной сварке стыковых соединений без разделки кромок
сварочный ток и скорость сварки. Необходимый состав металла шва будет
обеспечиваться повышением доли основного металла в шве.
14
Флюс выбирают в зависимости от марки электродной проволоки. При
использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегированной, не
содержащей достаточного количества элементов - раскислителей, сварку
выполняют под кислыми высоко- или среднемарганцовистыми флюсами (в
зависимости от состава свариваемой стали). При использовании
низколегированных проволок, содержащих элементы - раскислители в
достаточном количестве, лучшие результаты (по механическим свойствам
металла шва) обеспечивает применение низкокремнистых,
низкомарганцовистых флюсов.
Рис. 2 Влияние различных условий проведения механизиролванной сварки встык
под флюсом на долю участия основного металла в шве (γ0):
1 и 2 - соединения без разделки кромок; 3 и 4 - соединения
с разделкой кромок; 1 и 3 - сварка при больших силах тока;
2 и 4 — сварка при малых силах тока
Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенитной сварочной
проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т выполняют только под
слабо окислительными или безокислительными основными флюсами,
предназначенными для сварки высоколегированных хромоникелевых сталей.
При этом режимы сварки должны обеспечивать требуемые размеры и форму
швов и минимально возможное проплавление основного металла. С этой целью
в некоторых случаях применяют сварку трехфазной дугой под плавлеными или
керамическими основными флюсами.
Подкладные кольца и замковые соединения для сталей, например 30ХГСНА, не
применяют, так как они снижают надежность изделия в эксплуатации. Вместо
подкладных колец первые слои целесообразно выполнять аргонодуговой
сваркой.
Проволоку и флюс для сварки конструкционных сталей выбирают согласно
табл. 3. Для предотвращения пористости и наводораживания швов флюсы перед
сваркой необходимо прокаливать, 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. Максимальная температура нагрева под прокалку
применяемых флюсов не должна превышать 650 ... 700 °С во избежание
окисления компонентов флюса и его спекания.
15
Табл. 3 Сварочные материалы при сварке под флюсом и механические
свойства сварных соединений
Марка
стали
Термическая обработка
Марка
электродной
проволоки
25ХГС
А,
30ХГС
А
Закалка и отпуск после сварки σв
<1200 ±100МПа
Св-18ХГС,
25ХГС
А
30ХГС
А
То же, до сварки
12Х2Н Сварка в упрочненном состоя­нии
ВФА при σв < 1150 МПа без последующей
23Х2Н
термической обработки
ВФА
Св-18ХМА
Мар σв, KCU,
ка МПа Дж/с
флю
м2
са
не менее
АН- 0,9 σв 50
15
ос­новн
АН- ого
15М металла
Св-08Х21Н10Г6, АНСв-08Х20Н9Г7Т, 22
Св-10Х16Н25АМ6
АН22М
Св-18ХМА
600
90
АН- 0,9 σв 60
15
ос­новн
ого
металла
30ХГС Закалка и отпуск на σв = 1600 ... 1800
НА
МПа после сварки
Св-0Х4МА
АН15
1200
40
1355
65
АН15
900
60
Св-08Х21Н10Г6, АНСв-08Х20Н9Г7Т, 22
Св-10Х16Н25АМ6
АН22М
600
90
АН15М
30ХГН
СА
То же
30ХГС
НА
То же, до сварки
Св-18ХМА
В случае сварки жестких узлов большой толщины ферритными проволоками
применяют подогрев 150 ... 300 °С. Непосредственно после сварки ферритными
проволоками во всех случаях необходим общий или местный отпуск при 600 ...
650 °С для предупреждения образования холодных трещин.
Сварку аустенитными материалами производят без предварительного подогрева
и последующей термообработки соединений.
Электрошлаковая сварка. Применение электрошлаковой сварки
среднелегированных глубокопрокаливающихся сталей наиболее рационально
для соединения толстолистовых конструкций. Основные типы и
конструктивные элементы сварных соединений и швов, выполняемых
16
электрошлаковой сваркой, должны соответствовать требованиям ГОСТ 1516478 (в ред. 1989 г.), который регламентирует основные типы соединений,
выполняемых при всех разновидностях электрошлаковой сварки.
При выборе электродной проволоки для электрошлаковой сварки следует
исходить из требований к составу металла шва. Флюс практически не влияет на
состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае
необходимости легирования шва элементами, обладающими большим
сродством к кислороду (например Ti, Al), следует применять флюсы на основе
фторидов или системы СаF2-СаО-Аl2О3.
Электродные проволоки при сварке проволочными электродами и плавящимся
мундштуком в зависимости от состава свариваемой стали и требований,
предъявляемых к шву, выбирают из числа групп легированных или
высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70.
Пластины при сварке плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами
изготовляют из аналогичных сталей. Для предупреждения горячих трещин в
шве необходимо выполнять сварку на режимах, обеспечивающих получение
относительно неглубокой и широкой металлической ванны.
Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко
закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до
температуры 150 ... 200 °С.
Низкие скорости охлаждения околошовной зоны при электрошлаковой сварке
приводят к длительному пребыванию ее в области высоких температур,
вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. Поэтому после
электрошлаковой сварки среднелегированных высокопрочных сталей
необходима высокотемпературная термообработка сварных изделий для
восстановления механических свойств до необходимого уровня. Время с
момента окончания сварки до проведения термообработки должно быть
регламентировано.
Сварка жаропрочных перлитных сталей
Основными способами сварки жаропрочных перлитных сталей являются
дуговая покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом. Подготовку
кромок деталей под сварку производят механической обработкой. Допускается
применение кислородной или плазменно-дуговой резки с последующим
удалением слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм.
Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0
°С с предварительным и сопутствующим местным или общим подогревом.
Пределы изменения температуры подогрева в зависимости от марки стали и
толщины свариваемого изделия приведены в табл. 4
Большинство сварных конструкций из жаропрочных перлитных сталей
подвергают термической обработке для устранения структурной
неоднородности, остаточных сварочных напряжений и обеспечения
эксплуатационной надежности. Исключение составляют сварные соединения из
хромомолибденовых и хромрмолибденованадиевых сталей толщиной менее 6
мм.
17
Табл. 4 Температура предварительного и сопутствующего подогрева
Марка стали
Толщина свариваемых
деталей, мм
Температура подогрева,
°С
12МХ, 12ХМ, 15ХМ
<10
-
10 ...30
150 ...300
>30
200... 350
<6
-
6...30
200... 350
>30
250 ...400
15Х1М1Ф, 20ХМФЛ,
<6
-
15Х1М1ФЛ
6...30
250 ...400
Свыше 30
300 ...450
2ХМЛ, 12Х1МФ
Примечания: 1. При многопроходной автоматической сварке под флю­сом
допускается снижение минимальной температуры подогрева на 50 °С.
Аргонодуговую сварку корневого слоя труб допускается выполнять без подогрева.
При термообработке конструкций из жаропрочных перлитных сталей
используют обычно отпуск, он может применяться также как местная
термическая обработка. Отпуск стабилизирует структуру (твердость) сварного
соединения и снижает остаточные напряжения. С увеличением содержания
хрома, молибдена, ванадия и других элементов, повышающих релаксационную
стойкость сталей, температура отпуска и время выдержки должны
увеличиваться. Недостатком отпуска является невозможность полного
выравнивания структуры, в частности устранения разупрочненной прослойки в
зоне термического влияния сварки, что может быть достигнуто только при
печной термической обработке всей конструкции (табл. 5).
Табл. 5 Режимы отпуска сварных соединений, выполненных дуговой
сваркой
18
Марка ста­ли
Толщина сваривае­мых
дета­лей, мм
Минимальная
продолжи­тельность
выдержки, ч
Отпуск, Т,°С = 715± 15
12ХМ
10
-
12ХМ
10 ... 20
1
15ХМ
20 ...40
2
20ХМЛ
40... 80
3
>80
4
Отпуск, Т, °С = 735±15
12Х1МФ 20ХМФЛ
<6
-
6 ... 10
1
10 ... 20
2
20 ... 40
3
40 ... 80
4
>80
5
Отпуск, Т, °С = 745 ± 15
15Х1М1Ф 15Х1М1ФЛ
12Х2МФСР
<6
-
6 ... 10
1
10 ... 20
2
20 ... 40
3
40 ... 80
5
>80
7
Примечание. Скорость нагрева сварных соединений из хромомолибденованадиевых
сталей в интервале 500 ... 700 °С должна быть не менее 60 °С/ч.
Ручную дуговую сварку жаропрочных перлитных сталей выполняют
электродами с основным (фтористо-кальциевым) покрытием и стержнем из
малоуглеродистой сварочной проволоки с введением легирующих элементов
через покрытие. Для сварки хромомолибденовых сталей 12МХ, 15ХМ и 20ХМЛ
используются электроды типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467-75), а для сварки
хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и
15Х1М1ФЛ - электроды типа Э-09Х1МФ. Когда применение подогрева
свариваемых изделий и последующей термической обработки сварных
соединений невозможно или необходима сварка перлитных жаропрочных
19
сталей с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой
основе.
Сварка в защитных газах при изготовлении сварных конструкций из
жаропрочных перлитных сталей может быть двух видов: дуговая сварка
плавящимся электродом в углекислом газе и аргонодуговая сварка
вольфрамовым электродом. При сварке молибденовых, хромомолибденовых и
хромомолибденованадиевых сталей следует использовать одну из марок
проволок, содержащих молибден, хром и молибден или хром, молибден и
ванадий (Св-08МХ, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и др.), в зависимости от состава
свариваемой стали.
При сварке в углекислом газе - активном окислителе ванны - в составе
проволоки обязательно кроме других легирующих элементов должны
присутствовать раскислители - кремний и марганец (иногда титан). Поэтому для
сварки в углекислом газе можно использовать только те проволоки, в составе
которых содержатся эти элементы, в маркировке обозначенные "Г" и "С",
например, Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА и др. в
зависимости от состава свариваемой стали и требований к механическим
свойствам металла шва. Так, при сварке хромомолибденовых сталей
применяется сварочная проволока Св-08ХГСМА, а при сварке
хромомолибденованадиевых сталей - проволока Св-08ХГСМФА. Сварку
осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для проволоки
диаметром 1,6 мм сварочный ток составляет 140 ... 200 А при напряжении на
дуге 20 ... 22 В, а для проволоки диаметром 2 мм ток сварки 280 ... 340 А и
напряжение 26 ... 28 В.
Аргонодуговую сварку применяют для выполнения корневого слоя при
многопроходной сварке стыков труб паропроводов, поверхностей нагрева
котлов и других изделий. При сварке в среде аргона хромомолибденовых сталей
используют сварочные проволоки Св-08ХМ, Св-08ХГСМА, а при сварке
хромомолибденованадиевых сталей - проволоки Св-08ХМФА и СВ08ХГСМФА. Проволоки Св-08ХМ и Св-08ХМФА допускается применять
только при содержании кремния в металле проволоки не менее 0,22 %.
Сварку под слоем флюса используют для изготовления корпусов аппаратов
нефтехимической промышленности и других изделий с толщиной стенки 20 мм
и более. Применяют низко активные по кремнию и марганцу флюсы для
достижения в металле шва низкого содержания дисперсных оксидных
включений (продуктов кремнемарганцевосстановительного процесса), а также
стабильности содержания Si и Мn в многослойных швах. Сварку осуществляют
на постоянном токе обратной полярности.
Для уменьшения разупрочнения хромомолибденованадиевых сталей в
околошовной зоне рекомендуют режимы с малой погонной энергией, поэтому
используют приволоки диаметром 3 мм при токе 350 ... 400 А и напряжении
дуги 30 ... 32 В и повышенные скорости сварки (40 ... 50 м/ч).
Хромомолибденовые стали можно сваривать проволоками диаметром 4 и 5 мм
при силе тока 520 ... 650 А и напряжении 30 ... 34 В. Для сварки
хромомолибденовых сталей используют проволоку марок Св-08МХ и Св-08ХМ,
а для сварки хромомолибденованадиевых сталей -Св-08ХМФА.
20
ВЛИЯНИЕ ГАЗОВОЙ ЗАЩИТЫ НА СТОЙКОСТЬ
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОГО МЕТАЛЛА ШВА ПРОТИВ
ОБРАЗОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ ТРЕЩИН
Одним из факторов определяющих пригодность технологического процесса
сварки при изготовлении металлоконструкций из высокопрочных сталей с
применением высоколегированных сварочных материалов, является
обеспечение надежной стойкости металла шва против образования
кристаллизационных (горячих) трещин. Возникновение трещин во многом
определяется величиной температурного интервала кристаллизации (ТИК) и
линейной усадки металла шва. Влиять на ТИК, а следовательно на стойкость
металла шва против образования горячих трещин возможно за счет изменений
химического состава металла шва. При этом необходимо обеспечить получение
двухфазного металла шва более стойкого против образования горячих трещин,
чем однофазный металл шва. Применение способа сварки плавящимся
электродом в среде активных газов и их смесях на основе аргона позволяет
влиять на изменение ферритной фазы металла шва, через изменение
химического состава, тем самым предопределять его фазный состав.
Используемые в исследованиях состав защитных газов, режимы сварки, состав
сварочной проволоки указаны в таблице. Принятые условия эксперимента
обеспечили получение шва с долей основного металла γ=40 – 60% и
коэффициент формы шва ψ = 4,20 – 1,85. Эти условия способствовали
значительному изменению химического состава металла шва (см. таблицу).
Основной металл – сталь 20ХГСНА, Такое изменение химического состава
металла шва может оказать влияние на температурный интервал
кристаллизации и следовательно на критическую скорость деформации (Vкр.
мм/мин), а значит на склонность металла шва к образованию горячих трещин. С
учетом особенностей процесса кристаллизации сварочной ванны и условий ее
охлаждения были выполнены экспериментальные исследования
высоколегированного металла шва в зависимости от режима сварки и рода
защитного газа с использованием методики МВТУ им. Баумана. Учитывая, что
принятые условия эксперимента не обеспечивают постоянного термического
цикла сварки (ТЦС), за показатель склонности шва к образованию горячих
трещин приняты значения (Vкр./ω), полученные на каждом режиме при сварке в
различных защитных газах. На рисунке 1 даны изменения показателя Vкр./ω в
зависимости от режима сварки и рода защитного газа. Анализ данных (см. рис.
1) показывает, что интенсивность процесса сварки способствует повышению
склонности шва к горячим трещинам, так как имеет место повышение доли
основного металла в шве за счет некоторого увеличения мощности дуги, хотя
скорость сварки при этом пропорционально увеличена. Это снижение
проявляется в уменьшении показателя Vкр./ω.
Повышение стойкости металла шва против образования горячих трещин при
сварке в аргонокислородной смеси (по сравнению с другими газами)
достигается в основном за счет снижения в шве углерода. Добавка 20%
кислорода в СО2 значительно повышает склонность к горячим трещинам
высоколегированного металла шва, по отношению к сварке только в чистом
СО2. Повышение склонности металла шва к горячим трещинам при сварке в
смеси СО2 + 20%О2 связано с изменением его фазового состава (рис. 2) за счет
интенсивного окисления ферритообразующих элементов (см. таблицу).
21
Результаты количественной оценки склонности металла шва к образованию
горячих трещин сварных соединений показывают, что вероятность их
появления выполненных в диапазоне Iсв = 250 – 400А, сваренных проволокой
Св-08Х20Н9Г7Т в СО2 и СО2 + 20%О2 смеси на повышенных режимах велика.
Для подтверждения данного положения были выполнены дополнительные
исследования с использованием технологической пробы ЦНИИТС. Сваривали
встык образцы размером 800х1800х8 (13, 20) мм на режимах в диапазоне Iсв =
250 – 400А. Из сваренных соединений после их остывания вырезали образцы
для изготовления продольных и поперечных шлифов шва. После выдержки в
азотной кислоте в течение 24 часов шлифы осматривали при 60 кратном
увеличении. Трещины обнаружены в высоколегированном металле шва, сварка
которых выполнялась в смеси СО2 + 20%О2 на токах свыше 300А.
Следовательно недопустимо применять в качестве защитного газа смеси СО2 +
20%О2 при сварке с использованием высоколегированной проволоки ввиду
повышенной склонности металла шва к горячим трещинам.
Содержание химических элементов в высоколегированном металле шва, %
Сварочные
Режимы сварки
материалы
Iсв, А Vд, В Vсв, м/ч
Св08Х20Н9Г7
Т
СО2
C
Si
Mn Cr
Ni
Ti
S
P
0,10 0,70 6,12 19,1 9,91 0,60 0,016 0,021
250-260 25-27
15
0,13 0,55 3,84 12,0 5,88 0,49 0,009 0,018
350-360 33-34
24
0,13 0,62 3,02 9,61 4,84 0,27 0,010 0,020
400-420 38-39
29
0,14 0,68 2,75 8,89 4,40 0,24 0,009 0,019
СО2 + 20%О2 250-260 25-27
15
0,14 0,56 3,85 12,0 5,79 0,37 0,007 0,019
350-360 33-34
24
0,15 0,60 2,90 9,20 4,58 0,33 0,008 0,012
400-420 38-39
29
0,15 0,67 2,71 8,56 4,36 0,31 0,008 0,013
250-260 25-27
15
0,10 0,65 4,69 13,3 6,52 0,60 0,010 0,017
350-360 33-34
24
0,11 0,72 3,84 12,0 5,77 0,56 0,009 0,019
400-420 38-39
29
0,12 0,76 3,40 10,4 5,06 0,46 0,012 0,018
Ar + 5%О2
22
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ И ПОРИСТЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Композиционные материалы (КМ). Самым распространенным композитным
материалом является железобетон, широко используемый в строительстве. В
нем металлические стержни являются армирующими наполнителями, а бетон
связующим компонентом - матрицей. В машиностроении используются
композиционные материалы, в которых связующими компонентами являются
металлы (МКМ), керамика (ККМ), полимеры (ПКМ). В данном разделе
рассмотрены вопросы сварки МКМ. В качестве наполнителей в металлических
композитах используют: сплавы алюминия, магния, меди, никеля, тирана и т.д.
В качестве армирующих материалов - высокопрочные материалы: углеродные,
борные, карбидокремниевые волокна, нитевидные кристаллы, металлическую
проволоку. Армирующие материалы в композитах находятся в виде частиц
различной дисперсности (дисперсионно-упрочненные ДУКМ), волокон
длинной или короткой резки или слоев (рис. 1).
Рис. 1 Схема композиционных материалов. Армирующий материал в виде:
а - частиц; б - волокон; в - слоев
КМ, армированные нитевидными кристаллами, по своим свойствам находятся
между композитами, упрочненными длинными волокнами и порошком. МКМ
позволяют получать герметичные и высокопрочные сварные соединения при
различных комбинациях сплавов, экономить дефицитные и дорогостоящие
металлы, существенно упрощать конструкции ответственных узлов, повышать
надежность и долговечность работы изделий. Эти материалы обладают
комплексом совершенно новых (по сравнению с металлами и сплавами)
характеристик. Использование композиционных материалов позволяет
повысить прочность, жесткость, сопротивление ударным нагрузкам, снизить
массу конструкций, дает возможность регулировать в широких пределах теплои электропроводность, магнитные, ядерные и другие свойства.
Изготовление деталей из МКМ проводится по двум схемам. При первой схеме
совмещается изготовление КМ и формирование детали. При второй схеме
вначале с помощью прокатки, прессования, диффузионной сварки и т.д.
получают полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.п.), из которых
изготовляются детали. Например, подобным образом изготовляют детали из
МКМ, армированных непрерывными волокнами (из боралюминия и
углеалюминия с матрицей из алюминиевого сплава или беззольного клея).
Волокна могут собираться в жгуты, составляющие основу, которые
переплетаются поперечными жгутами из того же или другого материала
(проволока и др.). Матрица наносится пропиткой, плазменным напылением и
23
другими способами. Полученные монослойные полуфабрикаты соединяются в
блоки различными способами, в том числе и сваркой.
При производстве теплообменников широко используется слоистая композиция
из слоев высокотеплопроводного алюминия и низкотеплопроводного
многокомпонентного сплава оксидов свинца, бора цинка и т.д., являющихся
соединительной, силовой и теплоизолирующей компонентой. В результате
теплопроводность вдоль алюминиевых слоев сохранена, а в ортогональном
направлении уменьшена в десятки раз.Для сварки
композитных материалов применяются лучевые
способы (электронно-лучевая и лазерная сварка) и
дуговая сварка плавящимся и неплавящимся
электродом в среде аргона или гелия.
Рис. 2 Схема образования сварного соединения
Основные трудности сварки этих материалов связаны с различными
теплофизическими свойствами наполнителя и матрицы. При воздействии
источника тепла в большинстве случаев в первую очередь плавится металл
матрицы, как имеющий более низкую температуру плавления. Наполнитель
может расплавиться частично (рис. 2). При лучевых способах сварки в верхней
части шва армирующий материал полностью расплавляется. Значительные
изменения свойств композита происходят при дуговой сварке в зоне
термического влияния. Изменения в шве и зоне термического влияния
неблагоприятно сказываются на свойствах сварного соединения.
При сварке плавлением требуется расплавляемый элемент (присадочная
вставка), а в некоторых случаях и присадочная проволока (рис. 3), материалом
которых заполняются зазоры стыка. Расплавляемый элемент может быть
прямоугольной, тавровой или двутавровой формы (рис. 4).
Сварку композитов дугой выполняют в среде аргона или смеси аргона с гелием
с минимальным тепловложением. При использовании вольфрамового электрода
рекомендуется применять импульсный режим сварки, что позволяет
регулировать длительность воздействия дуги на металл сварочной ванны, т.е.
температурный режим плавления основного и присадочного материалов.
Опасность расплавления армирующих
волокон устраняется увеличением
длительности пауз. Этот способ
рекомендуется для композиционных
материалов с термодинамическими
совместимыми компонентами (Cu-W, CuMo, Sb-W) или армированных
термостойкими наполнителями,
например, волокнами карбида кремния,
бора (покрытиями карбида бора или
кремния).
Рис. 3 Схема сварки композита с присадочным расплавляемым
элементом и присадочной проволокой:
1 - свариваемые заготовки; 2 - прижимы; 3 - формирующая подкладка;
4 - присадочная вставка; 5 - присадочная проволока; 6 - горелка
24
Рис. 4. Формы расплавляющихся присадочных вставок
В качестве присадочного материала используют проволоки или прутки с
объемным содержанием армирующей фазы 15 ... 20 %. При сварке соединения
образуются в основном по металлической матрице. Более благоприятными
свойствами обладают сварные соединения при сварке вдоль армирования.
Сложной является проблема сварки композиционных материалов системы
алюминий - бор между собой и с алюминиевыми сплавами типа Д16Т; 1420.
Объемное содержание нитей бора в этих материалах 30 ... 55 %, толщина 0,8 ...
2,0 мм, условный плакирующий слой 50 ... 200 мкм. Подготовку поверхности
под сварку производят только химическим путем, включая операции травления,
осветления и пассивирования. Наилучшие результаты достигаются при сварке
вращающимся вольфрамовым электродом, на переменном токе в смеси аргона и
гелия (20:80) при использовании технологических проставок из алюминиевых
сплавов типа АМг, 1420, 1201.
При электронно-лучевой и лазерной сварке малая протяженность зоны
термического влияния позволяет получать сварные соединения с более
высокими свойствами, чем при дуговой сварке.
При сварке алюминиевых композиционных материалов, армированных
борными и стальным и волокнами, возникают две проблемы. Первая - это
трудность образования сварного соединения без повреждения волокон и
снижения их прочности при расплавлении алюминиевой матрицы. Прямое
воздействие источника нагрева (дуги, луча при ЭЛС) приводит к разрушению и
плавлению волокон. Второе - это то, что наличие волокон изменяет
перемещение теплоты в сварочной ванне и затрудняет перемещение в ней
расплавленного металла. Основными дефектами швов являются пористость,
несплавление, повреждение волокон. Устранению дефектов при аргонодуговой
и электронно-лучевой сварке способствует применение импульсных режимов и
использование тавровых и двутавровых проставок из матричного алюминиевого
сплава между свариваемыми кромками. Этим способом можно изготовлять
элементы конструкций типа балок, труб и т.п.
Пористые материалы на металлической основе могут быть порошковыми
(ППМ) и сетчатыми (ПСМ) на основе коррозионно-стойких сталей. Получают
их холодным прессованием или прокаткой с последующим спеканием в
контролируемой газовой среде. Их свойства определяются химическим
составом, способом изготовления и величиной образующейся пористости.
Основное назначение - фильтроэлементы, смесители, глушители шума и т.д.
Образующаяся при сварке литая структура шва значительно отличается по
свойствам от структуры основного металла. Основным дефектом при сварке
(особенно ППМ) материалов является пористость. При сварке ПСМ ввиду
низкой теплопроводности по толщине возможно образование прожогов и
подрезов у линии сплавления. Сварку осуществляют вольфрамовым электродом
в среде аргона с присадочной проволокой (для ППМ - Св-04Х19Н9, а ПСМ металла, аналогичного сетке). Возможна электронно-лучевая и лазерная сварка.
25
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомнокристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат
к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также
стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и
степени легирования (низколегированные, легированные,
высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и
других легирующих элементов соответственно.
В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении.
Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных
конструкций.
Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях
разнородных сталей
Класс сталей и сварочных материалов
Перлитные и бейнитные
Гр
уп
па
Характеристика
сталей
Марки
(примеры)
I
Углеродистые
Ст3, 20
II
Низколегированные
09Г2С,
10ХСНД,
20ХГСА
III
Легированные
30ХГСА, 40Х,
Среднеуглеродистые 40ХН2МА,
38ХВ
IV Теплоустойчивые (CrМо и Cr-Mo-V)
12МХ,
12Х1МФ,
20Х1М1Ф169
V Хладостойкие (Fe-Ni) 0Н3, 0Н6, 0Н9
Мартенситные, ферритные, ферритномартенситные, аустенитно-мартенситные,
ферритно-аустенитные
VI 12 %-ные хромистые, 08X13, 12X13
жаростойкие
VII Высокохромистые,
жаростойкие
08X17Т,
15Х25Т,
20X17Н2
VII 12 %-ные хромистые, 15X11МФ,
I
жаропрочные
15Х12ВНМФ
IX
Аустенитные стали и сплавы на никелевой
основе
Хромоникелевые
12Х21Н5Т
коррози­онно-стойкие
X Коррозионно-стойкие 12Х18Н10Т,
аустенитные
10Х17Н13МЗ
Т
26
XI
XII
XII
I
Аустенитные
жаропроч­ные
Х15Н35ВТ,
20Х25Н20С2
Аустенитные
Х18Н20,Х13А
коррозион­но-стойкие
П9,
и криогенные
06Х23Н28МЗ
ДЗТ
Жаропрочные
никелевые сплавы
ХН70ВМТЮ
Ф,
ХН56ВМТЮ
Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными.
Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей
конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми
механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).
Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей
различных структурных классов
Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме
переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования
металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой
прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в
пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва
толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой
происходит хрупкое разрушение сварного соединения.
Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение
технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна.
Этого достигают следующими методами:
Рис. 1 Схема комбинированной наплавки
свариваемой кромки: 1 - углеродистая сталь;
2 - перлитныйстабилизированный слой; 3 аустенитныйслой; 4 - аустенитная сталь
- Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч,
лазер, плазма);
- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия
сталей;
- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;
- Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное
перемешивание металла ванны.
Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах
связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением
27
поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его
перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения
сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель
электродного металла и плазменного потока в дуге.
Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные
преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем,
что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В
результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и
механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с
аустенитным швом.
При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в
противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны,
что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры
плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца.
Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и
при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину
кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).
При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено
увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих
параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации
(увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования
горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч.
Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует
наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение
шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков
тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру
ванны.
Рис. 2 Снижение толщины кристаллизационных (а) идиффузионных (б)
прослоек в зоне сплавления стали 20 и12Х18Н10Т при увеличении содержания
никеля в металле шва:1 - без подогрева; 2 - подогрев до 500 °С; 3 обезуглероженнаяпрослойка в углеродистой стали, подогрев до 550 °С,
28
выдержка 1000 ч.;4 - то же, подогрев до 650 с; 5 - науглероженная прослойка в
аустенитном шве, подогрев до 650 °С, выдержка 1000 ч
Рис. 3 Сокращение толщины слоя переменного состава при вводе в ванну
внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки при сварке под
флюсом стали марки 30Н4МФДА при равном расходе электрода и присадки
типа Св-08Х20Н9Г7Т: 1 - сварка без присадки; 2 - сварка с присадкой по схеме
3
Выбор сварочных материалов должен исключить образование трещин
различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность сварных
соединений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие
получение композиций наплавленного металла с таким запасом аустенитности,
чтобы компенсировать участие в шве перлитной стали и гарантированно
получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру
(табл. 2). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для
получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по
диаграмме Шеффлера (см. рис. 4). На этой диаграмме точки П и Б означают
структуру свариваемых сталей. При соотношении их долей участия 0,4/0,6
расплав после охлаждения на диаграмме будет находиться в т. Г, т.е. будет
иметь мартенситную или аустенитно-мартенситную структуру, что
недопустимо.
29
Рис. 4. Схема определения структуры в корневом шве и в отдельных слоях
многопроходного шва с помощью диаграммы Шеффлера
Применив электрод типа Х15Н25 с высоким запасом аустенитности (т. В на
диаграмме) в соотношении 50/50 к указанному выше расплаву, получим
требуемый металл шва со структурой аустенита - отрезок а - б.
Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для
сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и
сплавами
Группа свариваемых
ста­лей (см. табл. 1)
Композиция
наплавленного
металла
Предель­ная
темпе­ратура
эксплуата­ции, °С
Термическа
я обработка
I + X – XII
11Х15Н25М6АГ2
350
Не требуется
II + X – XII
27Х15Н25ВЗГ2Б2Т
400
Отпуск
III + X – XII
08Х15Н60Г7М7Т
400
Отпуск
IV + X – XIII
08Х14Н65М15В4Г2
580
Не требуется
V + X – XII
08Х14Н65М15В4Г2
<650
Не требуется
< 1000
Аустенизаци
я
VI – VIII + XI – XIII
При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем
участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну
состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл
слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3
со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.
Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить
образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной
структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в
условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта
технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих
трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам
зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах
30
со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют
элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах,
применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 ... 0,3 % N.
Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного
проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом
пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым
предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант
технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и
среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за
увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование
горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол".
В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 %
Ni и 15 % Мо.
Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва
применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми
жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.
В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически
неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитноферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 ... 12 %
ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва
до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же
соотношении будет получен шов, содержащий 4 ... 6 % дельта-феррита, что
исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину
кристаллизационной прослойки.
Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с
перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для
ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество
углерода путем его частичной замены азотом.
Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах,
необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы,
выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за
равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл.
10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без
последующей термообработки.
При недостаточности или неприемлемости указанных технологических
вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том
числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали
аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитноферритными сварочными материалами с регламентированным количеством δ-Fe
(2 ... 6 %).
При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных
сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI ... XIII) принципиально возможно
применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых
электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с
электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет
такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом
31
с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны
высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования
необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами
на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок
с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости
шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 ... 27 %) и
никеля (12 ... 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.
При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей,
подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным
металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна,
рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на
никелевой основе.
Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на
перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой
производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий
необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения
закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками
сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.
Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса
является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и
температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и
способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных
трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять
низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористокальциевой основе.
Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных
конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке
перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо
предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития
диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации.
При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких
переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения
наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного
класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны
высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая
пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для
снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл
должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром,
карбидообразующих элементов.
Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для
сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитноферритными
Группы
свариваемых
Композиция
наплавленного
Предельная температура
эксплуатации, °С
Температура
отпуска, °С
32
сталей
металла
I, II + VI, VIII
09X1 М,
300 ... 350
Подогрев, от­пуск
650 ... 680
08ХГСМА,
08ХМ
I, II + VII
08Х24Н6ТАМФ
300
700 ... 740
III, IV + VII
0Х25Н13Г2
300
700 ... 740
IV + VI, VIII
09X1 МФ,
400 ... 450
650 ... 700
08ХМФА
При сварке деталей больших толщин целесообразно электродами типа Э-ХМ
делать наплавку на кромки высоколегированной стали, а заполнение разделки
осуществлять без подогрева электродами типа Э42 или Э50 в зависимости от
требований прочности перлитного шва. Температуру предварительного
подогрева и отпуска определяют по характеристикам более легированной, т.е.
12 %-хромистой стали, но для уменьшения размеров диффузионных прослоек
применяют отпуск при минимально допустимой температуре.
При сварке перлитных сталей с более высоколегированными хромистыми
сталями группы VII, содержащими 17 ... 28 % Сг, применяют электроды
аустенитно-ферритного, а также аустенитного классов. Однако при этом
следует учитывать вышеописанную структурную неоднородность в зоне
сплавления аустенитного шва и перлитной стали. Термообработка в этом случае
не требуется.
Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей
разнородных сталей одного структурного класса
Сварку перлитных сталей, отличающихся лишь степенью легирования,
производят электродами, применяемыми для менее легированной стали, если к
швам не предъявляется требований повышенной прочности или особых свойств
жаропрочности, коррозионной стойкости, характерных для более легированной.
Однако технологические режимы сварки и температуру подогрева следует
выбирать (рассчитывать) применительно к более легированной стали.
Рекомендации по сварке различных групп перлитных сталей в пределах одного
класса приведены в табл. 4
При невозможности подогрева при сварке производят наплавку кромок более
легированной стали с подогревом электродами типа Э42А. Толщина
наплавленного слоя должна быть достаточной, чтобы более легированная сталь
не нагревалась до температур Ac1, т.е. чтобы не создавались условия для
закалки.
При сварке различных сочетаний высокохромистых мартенситных (с 12 % Cr),
ферритных (с 28 % Cr) и ферритно-аустенитных сталей типа Х21Н5 выбор
сварочных материалов и технологий должен исключить образование холодных
трещин и хрупких участков в швах. Режим подогрева назначают по наиболее
закаливающейся стали, с немедленным отпуском, не допуская полного
33
охлаждения. Для этого применяют сварочные материалы ферритноаустенитного класса, сварку с минимальной погонной энергией, так как
высокохромистые стали в 3ТВ весьма склонны к росту зерна, приводящего к
охрупчиванию соединения.
Табл. 4 Выбор композиции наплавленного металла и термической
обработки для сварки разнородных перлитных сталей
Группа
Композиция Предельная температу­ра Термическая обработка
свариваемы наплавленного
эксплуа­тации. °С
х
металла
сталей
I + II
Низкоуглеродист
ая
±60
Не требуется
Отпуск 630 ... 650 °С
I + III, I +V
III + III
Низколегированн
ая
Отпуск
III + III
Аустенитная
±60
Не требуется
I + IV
Низкоуглеродист
ая
До 350
Не требуется
I + IV
Хромомолибдено
ванадиевая
До 450
V +V
Низколегированн
ая
50 ... 100
Отпуск 670 ... 700 °С
Отпуск 620 °С
V+V
Аустенитная
50 ... 100
Не требуется
После окончания термообработки необходимо ускоренное охлаждение для
предотвращения 475 °С-ной хрупкости. Возможна также сварка аустенитными
электродами. Однако при этом термообработка не приводит к полному снятию
сварочных напряжений из-за различия в коэффициентах линейного расширения
шва и основного металла.
34
Рекомендации по выбору композиций наплавленного металла и термообработки
при сварке высокохромистых сталей приведены в табл. 5
При выборе материалов для сварки аустенитных сталей различного легирования
главное требование - исключить образование горячих трещин
кристаллизационного и подсолидусного типа, а также локальных разрушений и
снижение коррозионной стойкости. Сварку сталей с малым запасом
аустенитности производят электродами (табл. 6), обеспечивающими в шве 4 ... 6
% ферритной фазы. Однако при сварке различных стабильно - аустенитных
коррозионно-стойких сталей, как правило, не допускается в швах наличия
ферритной фазы. Необходимо применять сварочные материалы,
обеспечивающие швы с однородной аустенитной структурой без горячих
трещин, что достигается легированием их молибденом, марганцем и азотом,
например Св-04Х15Н25М6Г2АФ. Для сварки аустенитных сталей, обладающих
особо высокой жаропрочностью (до 1000 °С), применяют электроды, дающие
наплавленный металл с аустенитно-боридной или аустенитно-карбидной
структурой, образуемой за счет высокого содержания в шве углерода, ниобия и
титана или бора.
Табл. 5 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для
сварки высокохромистых сталей
Группы
свариваемых
сталей
Композиция
наплавленного металла
Предельная
тем­пература
эксплуа­тации, °С
Термическая
обработка
VI + VIII
Мартенситно-ферритная на
базе 12 % хрома .
До 500
Отпуск
VI + VIII
Аустенитно-ферритная
До 400
Не требуется
VI + VII
Мартенситно-ферритная на В коррозионных средах
базе 12 % хрома
Отпуск
VI + VII
Ферритно-аустенитная
До 350
Не требуется
VI + IX
Ферритно-аустенитная
До 350
Не требуется
Табл. 6 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для
сварки аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе
Группы
свариваемых
сталей
Композиция
наплавленного
металла
Предельная температура
эксплуатации, ºС
Термическая
обработка
Х+Х
Аустенитноферритная
<500
Не требуется
Х+Х
Аустенитноферритная
>500
Аустенизация
X + XI
Аустенитная
>500
Аустенизация +
стабилизация
35
X + XII
Аустенитная
< 500 в коррозион­ных
средах
Не требуется
X(ХI) + XIII
На никелевой основе
<650
Аустенизация +
стабилизация
Термообработка сварных соединений указанного типа производится только по
необходимости снятия остаточных сварочных напряжений. Этого достигают
стабилизацией при 800 ... 850 °С. Если конструкция предназначена для работы
при высоких температурах, предпочтительна аустенизация при температуре
1100 ... 1150°С.
Сварка двухслойных (плакированных) сталей
Двухслойные стали позволяют резко уменьшить потребление дефицитных
высоколегированных сталей без снижения работоспособности конструкций. Эти
стали обычно используют для изготовления аппаратуры, работающей в
коррозионной среде. Для облицовочного коррозионно-стойкого слоя,
находящегося в контакте с агрессивной средой, толщина которого может
достигать 12 мм, применяют высоколегированные хромоникелевые
аустенитные (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и др.) и
хромистые ферритные и мартенситно-ферритные (08X13, 12X13 и др.) стали.
Основной слой толщиной до 150 мм и более воспринимает силовые нагрузки и
изготовляется из углеродистых низколегированных сталей (Ст3, 20К, 15ХМ и
др.). Сварные соединения из этих сталей должны отвечать следующим
требованиям:
- Облицовочный слой должен быть однородным, при этом его коррозионная
стойкость в месте сварки не должна быть пониженной;
- В сварном шве между облицовочным и основным слоями не должны
образовываться комплексные сплавы с пониженными механическими
свойствами. Достигается это выбором способа сварки и его режима,
соответствующих сварочных материалов, разделки кромок и
последовательности выполнения сварки.
Основные типы и конструктивные элементы формы подготовки кромок в
зависимости от способа сварки регламентированы ГОСТ 16098-80. Слои
сваривают раздельно, используя различные сварочные материалы. В
последнюю очередь обычно сваривают облицовочный слой для
предупреждения его повторного нагрева. Сварка основного слоя обычно не
представляет трудностей и выполняется в первую очередь с использованием
соответствующих сварочных проволок, флюсов, электродов и т.д. (см. гл. 6).
Наибольшую трудность
представляет сварка
перехода от основного
слоя к облицовочному, так
как разбавление этого слоя
металлом основного
(нелегированного) слоя
резко снижает его
36
коррозионные свойства. Поэтому при сварке слоя 1 (рис. 5, в) применяют
сварочные проволоки и электроды с повышенным содержанием никеля и хрома,
компенсирующим разбавление металла шва основным металлом (табл. 7, 8).
Следует также применять технологические приемы, обеспечивающие
уменьшение проплавления основного металла, такие, как сварка ленточным и
сдвоенным электродом (табл. 9), сварка на спуск, углом вперед и др.
Рис. 5 Подготовка кромок (а) и последовательность (б - в) наложения слоев (1 3) при сварке двухслойных сталей: I - углеродистая; II - коррозионностойкая
Табл. 7 Материалы для выполнения разделительного 1 и плакирующего 3
слоев шва при сварке под флюсом двухслойных сталей (см. рис. 5, в)
Марка стали
(коррозионностойкий слой)
Марка сварочной
проволоки
Марка
флюса
Назначение слоя
08Х18Н10Т
Св-07Х25Н12Г2Т
Ан-26,
Св-08Х25Н13БТЮ
Ан-45
Разделительный и
плакирующий
Св-06Х25Н12ТЮ
12Х18Н10Т 12Х18Н9Т
Св-06Х19Н9Т
АН-26,
Св-07Х19Н10Б
АН-45
Плакирующий
Св-05Х20Н9ФБС
10Х17Н13М2Т
Св-07Х25Н12Г2Т
Разделительный
Св-08Х25Н13БТЮ
Св-06ХН12ТЮ
10Х17Н13МЗТ
06ХН28МДТ
Св-ОХ30Н40М6ТБ
АН-45
Разделительный и
плакирующий
Св-06Х20Н11МЗТЮ
Св-08Х19Н10МЗБ
АН-26
АН-18
Плакирующий
СВ-06Х20Н11МЗТБ
АН-45
Разделительный
АН-18
СВ-01Х23Н28МЗДЗТ
АН-18
Плакирующий
37
08X13,12X13
СВ-10Х16Н25АМ6
АН-45,
АН-18
Разделительный и
плакирующий
Табл. 8 Марка и тип покрытых электродов для сварки
высоколегированного слоя двухслойного металла
Мар
Тип
Наплавленный
ка электрод
металл
элек а по
трод ГОСТ Тип Структура
а 10052-78
Марка (тип), высоколегированного слоя и
характеристика металла шва
ЗИО- Э10Х25Н 08Х2 Аустенитно
7
13Г2Б 4Н13 -ферритная;
Б до 2,5 % αфазы
(18-10), когда к ме­таллу шва предъяв­ляются
требования по стойкости к МКК
СЛ- Э10Х25Н 09X2 Аустенитно
12Х18Н10Т,08Х13, когда к металлу шва не
25
13Г2 5HI2 -ферритная; предъявляются требования по стой­кости к МКК.
T до 4 ... 5%
Сварка неаустенитных ста­лей с аустенитной
09Х2 α-фазы
12Х18Н10Т, а также хромистой 18X13
5Н12
ТЮ
ЗИО- Э10Х25Н 07Х2 То же, 2,5 ... (18-10), когда к ме­таллу шва не предъ­являются
8
13Г2 4Н12 5 % α-фазы
требования по стойкости к МКК. Сварка
ненагруженных конструкций из стали 08X13 без
по­следующей термиче­ской обработки, а также
сварка сталей 12Х18Н10Т с низко­углеродистыми
не аустенитными ста­лями
ЦЛ-9 Э10Х25Н 12X2 То же,
12Х18Н10Т, 08X13 и им подобные, рабо­тающие в
13Г2Б 1НИБ бо­лее 2,5
агрессив­ных средах, когда к металлу шва
% α-фазы предъ­являются требования по стойкости к МКК.
Используются для сварки 15Х25Т и ей подобных
38
Табл. 9 Режим сварки сдвоенной проволокой корозионностойкого слоя
(толщиной 3 ... 5 мм) двухслойного металла
Диаметр
одной
проволоки,
мм
Расстояние между
электродными
проволоками, мм
Вылет Свароч Напряже Скорость подачи
электрод ный ние дуги, электрода, 1х10-3
а, мм
ток, А
В
м/с
3
12 ... 13
35 ... 38
450 ...
600
38 ... 40
20 ... 25
4
14 ... 15
40 ... 45
480 ...
600
38 ... 40
10 ... 16
При соединении двухслойных сталей толщиной 16 ... 36 мм без подварки
переходного слоя для сварки облицовочного слоя из сталей ОХ18Н10Т и
12Х18Н10Т рекомендуется использовать порошковую ленту ПЛ-АНВ-54, а
облицовочного слоя из сталей 10Х17Н13М2Т, 07Х17Н13МЗМ и 08Х17Н15МЗТ
- порошковую ленту ПЛ-АНВ-69. Сварку ведут на постоянном токе обратной
полярности с применением флюса АН-18 или АН-26.
При односторонней ручной сварке с заполнением разделки со сто¬роны
основного низкоуглеродистого слоя (слой 1 рис. 6, а) и при сварке с
заполнением со стороны облицовочного коррозионно-стойкого слоя (слои 3, 4,
рис. 6, б) используют электроды типа Э-ПХ15Н25М6АГ2.
Рис. 6 Последовательность (1 - 4) наложения отдельных слоев
при односторонней сварке двухслойных сталей:
а - начало сварки со стороны углеродистого слоя;
б - то же, со стороны облицовочного коррозионно-стойкого слоя
39
Некоторые образцы соврменного сварочного
оборудования.
ПРОДУКЦИЯ НПП «ФЕБ»
Универсальные сварочные инверторные
выпрямители ФЕБ и "МАГМА-250", ФЕБ
"МАГМА-400" построены на базе
высокочастотного преобразователя на IGBTтранзисторах. Микропроцессорный блок
управления обеспечивает оптимальный выбор
параметров сварки, а также выполняет
самодиагностику выпрямителей, что существенно увеличивает надежность и
качество выполняемых работ. Выпускаются с 2003 года.
Универсальные сварочные выпрямители "ФЕБ-200М", "ФЕБ-350М" построены
на базе тиристорных частотных преобразователей. Выпускаются с 1992 года.
Инверторные выпрямители предназначены для выполнения следующих работ:
- ручной сварки изделий из углеродистых легированных сталей штучными
электродами диаметром от 1,5 мм до G мм, с возможностью использования
пульта дистанционного управления (ПДУ);
- ручной сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов, с блоком
МОДА-250;
- полуавтоматической сварки электродной проволокой (в том числе стальной,
нержавеющей и алюминиевой) в среде активных и инертных газов, а также
порошковой самозащитной проволокой, с блоками подачи проволоки ФЕБ-02,
ФЕБ-06.
Название МАГМА-250 МАГМА-400 ФЕБ-200М ФЕБ-350М Напряжение
питающей сети, В 220-20%+15%
380-20%+20% 380-20%+20% 220-15%+10% 380-15%+10% Мощность,
40
потребляемая от сети, кВА, не более 10 15 7.5 12 Максимальный ток при
ПВ, 60%, А 250 400 200 300 Сварочный ток при ПВ, 100%, А 200 315 140 260
Масса, кг, не более 12 25 23 45 Диапазон рабочий температур, С От -40 до
+40
ПРОДУКЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНА НПП «ФЕБ»
Полуавтоматы сварочные «ФЕБ-150», «ФЕБ-170»
предназначены для дуговой сварки
металлоконструкций электродной проволокой
(стальной, нержавеющей и алюминиевой)
диаметром 0.8-1,2 в среде углекислого и инертного
газов.
Полуавтоматы сварочные «ФЕБ-150У» (Универсал),
«ФЕБ-170У» (Универсал) имеют возможность сварки штучными электродами
диаметром 1,6-3 мм.
Название ФЕБ-150 ФЕБ-150У ФЕБ-170 ФЕБ-170У Напряжение питающей
сети, В 220-10%+10% Мощность, потребляемая от сети, кВА, не более 3.5
3.5 4.5 4.5 Максимальный ток при ПВ, 20%, А 150 150 170 170 Сварочный
ток при ПВ, 100%, А 80 80 110 110 Масса, кг, не более 33 34 36 37 Диапазон
рабочий температур, С От -10 до +40
ПРОДУКЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНА НПП «ФЕБ»
Горелки производимые НПП "ФЕБ" (ТУ34141-007-11155651-02). Выпускаются из
современных высококачественных материалов, сохраняют работоспособность и
гибкость шланга в диапазоне температур от минус 40C до плюс 40С.
Эргономичная ручка имеет клавишу-контакт с высокой надежностью. Евроразъем
имеет плавающие контакты включения горелки.
По заказу, горели могут выпускаться со штырьевым раэьемом.
41
Название
ГС-150
Продолжительность
включения, %, (для
CO2)
60
Диаметр проволоки, мм
0.6-0.8
Длина горелки, мм, не
менее
3000
Разъем
"Евро"
ГС-200
Г
С
2
5
0
Г
С
3
1
5
0.8-1.0
0.
81.
2
0.
81.
4
ПРОДУКЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНА НПП «ФЕБ» Комплект кабелей для
организации поста ручной сварки штучными электродами.
Кабели сварочные и кабель управления поставляются по желанию заказчика
длинной до 30 м.
Блок подачи проволоки для полуавтоматической сварки MIG/MAG ФЕБ-02, ФЕБ-06.
Блоки подачи проволоки для дуговой сварки в среде активных и инертных газов
«ФЕБ-02», «ФЕБ-06» предназначены для сварки электродной проволокой (в том
числе стальной, нержавеющей, алюминиевой, а так же порошковой
самозащитной проволокой) в составе полуавтомата со
сварочным выпрямителем «ФЕБ-200М», «ФЕБ-350М»,
«МАГМА-250», «МАГМА-400».
Кабели сопряжения с выпрямителями выполняются по
желанию заказчика длиной до 30 м.
Блоки подачи выпускаются с двумя вариантами подключения
сварочных горелок - со штырьевыми и евроразъемами.
Название ФЕБ-02 ФЕБ-06 Скорость подачи проволоки, м/мин 0-16 0-16
Мощность мотора редуктора, Вт 80 80 Диаметр проволоки, мм 0.8-1.6 0.81.4 Диаметр кассеты для проволоки, мм 200, 300 200 Масса, кг, не более 13
10 Диапазон рабочий температур, С От -10 до +40 Контроллер для TIG
сварки ФЕБ «МОДА-250».
Контроллер ФЕБ «МОДА-250» предназначен для выполнения сварочных работ
неплавящимся электродом в среде инертных газов на постоянном токе. Модуль
ипользуется с одним из универсальных сварочных выпрямителей «ФЕБ».
Встроенный микропроцессорный блок позволяет управлять временными и
токовыми характеристиками процесса сварки в широком диапазоне и
запоминать до 10 сварочных программ. Ввод и редактирование параметров
осуществляется с помощью одной ручки и графического табло. Возбуждение
сварочной дуги обеспечивается встроенным блоком высоковольтного поджига
42
(осциллятором). Максимальный сварочный ток 250А. Минимальный сварочный
ток зависит от типа используемого сварочного выпрямителя
Литература и источники
1. Электросварка в судостроении Л.Судостроение 1975
2. Гигиена и безопасность при электросварочных и плазменных работах
Л.Судостроение 1984 Алексеева И.А , Норкин Ю.И
3. Инетернет-журнал ''Корабел.ру'' www.Korabel.ru
4. Сайт компании ''FEB''
43