Сварка углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

Реферат

Для ускорения технического прогресса, повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции необходимо широкое внедрение в сварочное производство последних достижений науки и техники. Эта задача успешно решается созданием крупных специальных заводов с высокой степенью механизации сварочных работ, изменением структуры сварочного производства, увеличением объемов внедрения прогрессивных способов сварки (автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов, электрошлаковая и др.).

Разработаны и серийно выпускаются новые конструкции источников питания сварочной дуги, оборудование для механизированных способов сварки, сборочно-сварочные приспособления.

Поточное и механизированное производство автомобилей, судов, вагонов, горнодобывающего и химического оборудования, электрооборудования, строительно-дорожных машин, прессового оборудования на базе автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и в среде защитных газов позволило увеличить производительность труда в 5 — 10 раз, повысить качество сварных соединений при значительной экономии металла и электроэнергии. При восстановлении изношенных деталей машин и механизмов, а также при изготовлении новых деталей с износостойкой поверхностью широко используются различные механизированные способы наплавки. Для этой цели выпускаются универсальные и специальные автоматы и полуавтоматы, оборудование и устройства для установки и перемещения деталей, подачи флюса и газа в зону сварки.

Внедрение новых способов сварки, в том числе в среде защитных газов, электрошлаковой и др., позволили решить проблему широкого использования в промышленности сварных изделий с деталями и узлами (сборочными единицами) из специальных сталей, цветных металлов и их сплавов. Промышленность выпускает большое количество различных марок электродов для дуговой сварки конструкций из углеродистых и легированных, теплоустойчивых, коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и других сталей. Выпускаются также электроды для восстановительной и износостойкой наплавки различных сталей, для сварки и наплавки чугуна и цветных металлов.

Развитие сварочного производства, внедрение прогрессивных методов сварки в народном хозяйстве повышают требования к уровню подготовки рабочих-сварщиков. Повышение теоретических знаний и практических навыков в работе, освоение новых методов и приемов сварки рабочими при современном уровне сварочного производства является одной из основных задач по освоению и внедрению в производство достижений науки и техники в области сварки.

7 стр., 3080 слов

Кислородно-конвертерный способ производства стали

... стали от фосфора и частично от серы. Устройство кислородного конвертера. В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной ... синтетическими шлаками или шлаковыми смесями, вакуумом, инертными газами в сочетании с микролегирующими порошками или без них, а также способов переплава стали в особых условиях (электрошлакового, ...

Для удобства пользования учебным пособием в приложении 3 приведена таблица перевода некоторых величин из метрической системы единиц в Международную систему единиц (СИ).

Общие сведения об электрической сварке плавлением

Схема процесса сварки

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных (сварных) соединений из металлов, их сплавов и других материалов (пластмасс, стекла) или разнородных материалов (стекла и металла и т. п.).

Соединение, полученное при сварке, характеризуется непрерывной структурной связью и монолитностью строения, достигаемыми за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами сопрягаемых деталей. Для того чтобы произошла сварка, нужно сблизить соединяемые элементы на расстояние порядка величины атомного радиуса (10-8 см).

При этом между поверхностными атомами твердых тел становится возможным межатомное взаимодействие и происходит сопровождаемое диффузией химическое взаимодействие.

Неразъемное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется сварным соединением. При сварке плавлением под сварным соединением понимают участок, включающий собственно шов, металл зоны термического влияния и основной металл, не претерпевший под влиянием сварки никаких изменений. Шов является литым сплавом основного и дополнительного металлов, а зона термического влияния представляет собой участок основного металла с измененными в результате сварки свойствами (рис. 1).

Сваркой плавлением можно соединять практически все используемые для изготовления конструкций металлы и сплавы любой толщины. Возможна сварка разнородных металлов и сплавов.

В процессе изготовления конструкции с использованием сварки плавлением источник теплоты в большинстве случаев передвигается вдоль свариваемого изделия, что позволяет сваривать объекты с неограниченными размерами. Сварку плавлением, в том числе и электрическую, ранее называли автогенной — самопроизвольной сваркой. Затем этот термин начал применяться для обозначения кислородно-ацетиленовой сварки. Сейчас он почти не применяется.

При сварке плавлением металл в месте сварки доводится до жидкого состояния. Локальное расплавление основного металла осуществляется по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться только за счет расплавления основного металла (рис 1, а) или за счет расплавления основного и дополнительного металлов (рис. 1, б).

В практике преимущественное применение находит второй вариант. Расплавленные основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну, смачивающую оставшуюся твердой поверхность соединяемых элементов. При этом происходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молекулярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбированные газы, окислы и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой расплавленного металла.

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание — кристаллизация. Начинается она от частично оплавленных зерен основного металла, что приводит к образованию общих кристаллитов. После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.

8 стр., 3736 слов

Сварка и ремонт автомобилей

... работы – рассмотреть различные методы сварки, используемые при ремонте автомобилей, соответственно задачами будут: знакомство с методами сварки; анализ и выбор оборудования для сварочных работ; рассмотрение мер безопасности ... дуги очень высока и плавление металла происходит очень быстро. Если свариваемые детали имеют достаточную толщину, металл в месте их сварки расплавляется частично и вместе ...

В процессе сварки наблюдаются испарение и окисление некоторых элементов, поглощение и растворение жидкой ванной газов. Происходят также изменения и в зоне термического влияния. Эти процессы обусловливают отличие металла шва и зоны термического влияния от основного металла. При сварке возникают деформации конструкции и создается поле остаточных напряжений, что может нарушить проектные ее размеры и форму и сказаться на прочности сварного соединения.

При сварке плавлением требуется локальный нагрев небольшого участка металла, окруженного со всех сторон значительным объемом холодного металла, до температуры, превосходящей температуру его плавления. Это приводит к необходимости использования для электрической сварки большинства металлов и сплавов источников нагрева, имеющих температуру не ниже 3000° С и тепловую мощность, достаточную для образования сварочной ванны.

При электрической сварке плавлением источником нагрева служит электрический ток. Наиболее широкое применение находит электродуговая, электрошлаковая и электроннолучевая сварка. В значительно меньшем объеме используется пока лазерная сварка. Однако масштабы ее применения с каждым годом увеличиваются.

При электрической дуговой сварке нагрев и плавление металла осуществляются энергией, выделяемой дуговым разрядом. При электрошлаковой сварке необходимая для сварки теплота получается при прохождении тока через шлаковую ванну, образуемую при расплавлении флюса. Нагрев и плавление металла при электроннолучевой сварке достигаются за счет интенсивной бомбардировки свариваемого металла быстродвижущимися электронами. При лазерной сварке необходимая для плавления металла теплота выделяется световым пучком, являющимся весьма концентрированным источником теплоты.

В настоящее время ведущее положение среди различных видов электрической сварки плавлением занимает электрическая дуговая сварка. Возможности этого вида сварки еще далеко не исчерпаны, и можно ожидать дальнейшего ее совершенствования и развития.

К сварке плавлением относится и наплавка металлов, нашедшая широкое применение в промышленности. Наплавкой называют процесс нанесения слоя металла на доведенную до расплавления поверхность изделия. Цель наплавки сводится к восстановлению размеров детали после износа, устранению дефектов литья, поковок и проката или созданию на поверхности детали слоя металла, обладающего особыми свойствами (стойкость против износа или коррозии, жаропрочность и др.).

В дальнейшем при изложении общих вопросов под термином «сварка» мы будем понимать как собственно сварку, т. е. соединение отдельных деталей, так и наплавку.

Сварка — технологический процесс, широко применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых конструкций и механизмов. Преимущества сварных конструкций в настоящее время общепризнаны,такие конструкции повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кованых изделий. Эти преимущества сводятся к уменьшению расхода металла, снижению затрат труда, упрощению оборудования, сокращению сроков изготовления и увеличению съема продукции без увеличения производственных площадей. Значительно расширяются также возможности механизации основных технологических операций. Однако все преимущества сварки могут быть реализованы только при обеспечении необходимого качества сварных соединений, гарантирующих длительную и надежную работу их в условиях эксплуатации. Это достигается на основании глубокого изучения вопросов технологии сварки и установления связи ее с конструктивными формами и особенностями изготовляемой продукции.

16 стр., 7535 слов

Технология изготовления сварной конструкции

... технологического процесса сварки 1.3.1 Характеристика свариваемого металла: химический состав, механические свойства, свариваемость Для изготовления стойки использовать сталь, так как она отвечает всем требованиям, предъявляемым к конструкции, толщина 3мм. Химические свойства стали. Марка сталь ...

Сварка углеродистых сталей

Углеродистыми конструкционными (машиноподелочными, или строительными) называют стали, содержащие 0,1—0,7% С. Углерод определяет прочность этой группы сталей. В углеродистых сталях присутствует также некоторое количество так называемых постоянных (нормальных) примесей, попадающих в металл или специально вводимых в него в процессе производства (плавки) стали. Обычно количество постоянных примесей в углеродистых сталях не превышает (по верхнему пределу) 0,8% Мn, 0,35% Si, 0,04% Р, 0,05% S, 0,05% О2. К постоянным примесям относят также некоторое остаточное содержание водорода и азота.

Помимо постоянных примесей в металле могут находиться в небольшом количестве случайные примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов (медь, мышьяк) или из скрапа (хром, никель).

Содержание этих элементов обычно не превышает 0,3% Сu, 0,08% As, 0,3% Сr, 0,3% Ni.

Углеродистые конструкционные стали классифицируют по способу изготовления, по качеству и степени раскисленности стали. В сварочной технике их классифицируют также и по содержанию углерода.

Слиток кипящей стали характерен резко выраженной зональной сегрегацией. Неравномерность содержания примесей сохраняется в прокате, где имеются участки металла с повышенным содержанием серы и в меньшей степени фосфора. Места скопления серы называют сульфидными строчками. Представление о неоднородности структуры кипящей стали дает отпечаток распределения сернистых включений по Бауману. Местная концентрация серы может намного превысить среднее ее содержание и привести к образованию кристаллизационных трещин в металле шва и горячих трещин в околошовной зоне (рис. 2).

Рис.2. Трещины в околошовной зоне и в металле шва

Опыт эксплуатации сварных конструкций показал, что кипящая сталь, в том числе и мартеновская, склонна к старению в околошовной зоне и к переходу в хрупкое состояние при работе на морозе.

Слиток спокойной стали обычно имеет однородное плотное строение.

Вредные примеси — сера, фосфор распределены в нем более равномерно, чем в слитке кипящей стали. Спокойная мартеновская сталь значительно менее склонна к старению, чем кипящая сталь. При сварке стали, успокоенной алюминием, эффект старения металла околошовной зоны либо вовсе не проявляется, либо проявляется гораздо слабее, чем при сварке кипящей стали.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями. Эта сталь раскисляется несколько большим количеством присадок по сравнению с кипящей сталью, благодаря чему обеспечивается меньшее выделение газов при остывании и кристаллизации слитка.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества поставляется по ГОСТ 380—71 и другим стандартам (ГОСТ 5521—67на сталь для судостроения, ГОСТ 5520—69 на сталь для котлостроения, ГОСТ 6713—53 на сталь для мостостроения).

12 стр., 5645 слов

Технология сварки различных сталей

... конструкций. Сварка углеродистых сталей В зависимости от химического состава сталь бывает углеродистая и легированная. Углеродистая сталь делится на низкоуглеродистую (содержание углерода до 0,25%), среднеуглеродйстую (содержание углерода от ... не более 0,07% Si, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора ...

Углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая в соответствии с ГОСТ 380—71,подразделяется на три группы: А — поставляемую по механическим свойствам, Б — поставляемую по химическому составу. В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяется на категории. Сталь группы А имеет три категории, для каждой из которых установлены обязательные показатели и нормы механических свойств. Для сварных конструкций сталь этой группы не применяется. Сталь группы Б подразделяется на две категории. В первой нормируется содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка, азота. Во второй категории дополнительно нормируется содержание хрома, никеля, меди. Сталь этой группы находит ограниченное применение для сварных конструкций. Сталь группы В имеет шесть категорий.

Как правило, для сварных конструкций применяют сталь марок ВСт2 и ВСт3 всех степеней раскисления. Для ответственных конструкций используют спокойные стали группы В наиболее высоких категорий.

Сталь марки Ст3 групп Б и В выплавляется как полуспокойная, может содержать обычное (0,4—0,65%) и повышенное (0,8— 1,1%) количество марганца. В обозначении марки стали, содержащей повышенное количество марганца, введена буква Г. Стали этого типа также применяют для изготовления сварных конструкций.

В обозначении стали указаны группа, условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств, степень раскисления, категория стали. Например, ВСт3сп5 обозначает сталь марки Ст3 группы В, спокойная, категория 5. Обозначение ВСт3Гпс4 расшифровывается как сталь марки Ст3 группы В, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, четвертой категории. Следует отметить, что группа А и первая категория в обозначении стали не указываются.

Углеродистая конструкционная качественная сталь поставляется по ГОСТ 1050—60 и отдельным стандартам, разработанным на основе этого стандарта. К этой же группе условно отнесены стали с повышенным содержанием марганца, микролегированные бором (в пределах 0,002—0,006%), и сталь марки С (для судостроения) по ГОСТ 5521—67. Механические свойства сталей установлены в зависимости от характера термообработки.

Углеродистую конструкционную сталь применяют для изготовления сварных конструкций в основном в состоянии поставки (горячекатаном) и в меньшем объеме после термообработки (нормализации) и в еще меньшем — в состоянии после термического улучшения (после закалки и отпуска).

Термическое улучшение является весьма эффективным способом повышения прочности стали без снижения пластичности и вязкости. Поэтому ожидается увеличение объема использования для сварных конструкций стали, поставляемой в таком состоянии.

В сварочной технике в зависимости от содержания углерода углеродистые конструкционные стали условно разделяются натри группы: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые. Технология сварки этих сталей различна.

Даже для стали одной марки в зависимости от ее плавочного состава и условий эксплуатации сварной конструкции технология сварки может претерпевать значительные изменения.

Низкоуглеродистые конструкционные стали

26 стр., 12878 слов

Сварка полуавтоматом в среде СО

... стали к низкоуглеродистой, т. к. содержание углерода в ней до 0,25%. 1.2 Определение свариваемости стали Свариваемость стали. Под свариваемостью понимается свойства металла или свойства металла образовывать установленной технологии сварки ... по тем временам электросварочный цех и выполнявший большое количество сварочных работ с искусством заслуживающий внимание и в настоящее время. С 1891 ...

Краткие сведения о составе и свойствах сталей.К низкоуглеродистым конструкционным сталям, из которых в настоящее время изготовляют большинство сварных конструкций, по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием до 0,25% С.

Особенности сварки. Низкоуглеродистые стали относятся к числу хорошо сваривающихся металлов. Для этих сталей технологию сварки выбирают из условий обеспечения комплекса требований, главные из которых достижение равнопрочности сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Для этого механические свойства металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом должны быть не ниже минимальных механических свойств основного металла. В ряде случаев с учетом конкретных условий работы конструкции допускается снижение требований к отдельным показателям механических свойств сварного соединения по сравнению с требованиями, предъявляемыми к основному металлу.

В металле швов не должно быть трещин, непроваров, пор, подрезов и других дефектов, они должны иметь требуемые по чертежу размеры и форму. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. Изменение формы и размеров (деформация) конструкции должно находиться в допустимых, не отражающихся на ее работоспособности пределах.

В некоторых случаях дополнительно вводят требования высокой коррозионной стойкости сварных соединений, их работоспособности в условиях вибрационных и ударных нагрузок, повышенных или пониженных температур и другие специальные требования

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, определяемой химическим составом, условиями остывания сварной конструкции и термообработкой. При сварке низкоуглеродистой стали металл шва незначительно отличается пoсоставу от основного металла. Это отличие в основном сводится к снижению содержания в металле шва углерода (так как металл электродного стержня или электродной проволоки содержит меньше углерода, чем основной металл) и повышению содержания марганца и кремния.

Снижение прочности металла шва вследствие уменьшения содержания в нем углерода при дуговой сварке полностью компенсируется за счет увеличения скорости его остывания и легирования металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. В сварочной практике обеспечение равнопрочности металла шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали не вызывает затруднений. При электрошлаковой сварке для обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом обычно применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали

Краткие сведения о составе и свойствах среднеуглеродистых конструкционных сталей.К среднеуглеродистым конструкционным сталям по классификации, принятой в сварочной технике, относятся стали, содержащие 0,26—0,45% С. Отличие составов среднеуглеродистых от низкоуглеродистых сталей в основном состоит в различном содержании углерода. К этой же группе относится сталь с повышенным содержанием марганца (марок ВСт5Гпс, 25Г, 30Г и 35Г).

Среднеуглеродистые стали находят применение в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций находят применение преимущественно стали 35 и 40.

7 стр., 3375 слов

Подготовка металла к сварке

... Подготовка металла к сварке», чтобы показать всю важность и ответственность этого процесса. Подготовка металла и конструкций к сварке Точность подготовки деталей к сварке, ... Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента: ... сталей большинства марок не требуется. Необходимая точность подготовки кромок определяется типом шва, способом и режимом сварки. ...

Сварка среднеуглеродистых сталей.Повышенное содержание углерода предопределяет значительные трудности сварки этих сталей. К ним относятся низкая стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом.

Для преодоления этих трудностей и в первую очередь для повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин при всех видах сварки плавлением стремятся снизить содержание углерода в металле шва. Это обычно достигается за счет применения электродных стержней и электродной проволоки с пониженным содержанием углерода и уменьшения доли основного металла в металле шва. Стремятся также обеспечить получение швов с большим значением коэффициента формы и применяют предварительный и сопутствующий подогрев, двухдуговую сварку в раздельные ванны и модифицирование металла шва.

Для сварки среднеуглеродистых сталей чаще всего применяют предварительный подогрев до температуры 250—300° С. За счет предварительного подогрева удается повысить на 0,01—0,02% допускаемое содержание углерода в металле шва, при котором еще не образуются трещины, и предупредить образование закалочных структур в околошовной зоне. Однако сварка с подогревом обладает серьезными эксплуатационными недостатками. Кроме того, чрезмерный подогрев может вызвать образование трещин вследствие увеличения провара основного металла и связанного с этим повышения содержания углерода в металле шва.

Для снижения доли основного металла в металле шва дуговую сварку среднеуглеродистых сталей, как правило, ведут с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Для иллюстрации сказанного на рис. 3 показаны угловые швы, сваренные под флюсом на режимах, типичных для сварки низкоуглеродистой (а) и среднеуглеродистой (б) стали.

Рис. 3. Типичная форма углового шва при сварке под флюсом стали:

  • а — низкоуглеродистой; б — среднеуглеродистой

Для повышения доли электродного металла в металле шва принимают также меры по увеличению коэффициента наплавки. При механизированных способах сварки это достигается применением сварочной проволоки малого диаметра (2—3 мм) и минимального сварочного тока. Лучшие результаты получаются при постоянном токе прямой полярности. Сварку под флюсом среднеуглеродистых сталей ведут на режимах, не характерных для этого высокопроизводительного способа, в связи с чем он не получил широкого применения при изготовлении конструкций из среднеуглеродистых сталей.

Эффективным и надежным средством достижения равнопрочности металла шва при низком содержании в нем углерода служит дополнительное легирование элементами, упрочняющими феррит. При сварке среднеуглеродистых сталей для достижения равнопрочностидостаточно дополнительно легировать шов марганцем и кремнием. Для сварки под флюсом применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 и сварочную проволоку

Св-08А, Св-08ГА и Св-10Г2. При этом необходимое повышенное содержание в шве кремния и марганца достигается частично путем восстановления их из флюса. Этому способствует применение тонкой проволоки и малых токов, при которых восстановление кремния и марганца протекает более интенсивно.

Для ручной сварки среднеуглеродистых сталей применяют электроды с фтористо-кальциевым покрытием УОНИ-13/55 и УОНИ-13/45, обеспечивающие достаточную прочность и высокую стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Чтобы избежать образования малопластичных и хрупких закалочных структур в околошовной зоне, при сварке среднеуглеродистых сталей следует замедлить остывание изделий путем снижения скорости сварки, предварительного подогрева металла, сварки двумя и более раздвинутыми дугами. Чем больше содержание углерода в стали, тем выше должна быть температура подогрева металла при сварке. Даже при использовании всех указанных приемов сварные соединения на среднеуглеродистой стали чаще всего получаются недостаточно пластичными, так как закалка основного металла в околошовной зоне полностью не предотвращается. Если к сварному соединению предъявляются требования высокой пластичности, то для выравнивания свойств приходится применять последующую термообработку, чаще всего закалку с отпуском.

Технология сварки среднеуглеродистых сталей в углекислом газе, как и сварка их покрытыми электродами и под флюсом,основана на снижении доли основного металла в металле шва и обеспечении благоприятной формы провара. В производстве сварка в углекислом газе для изготовления конструкций из среднеуглеродистых сталей применяется мало.

Благодаря возможности в широких пределах изменять коэффициент формы металлической ванны и медленному остыванию металла околошовной зоны при электрошлаковой сварке создаются благоприятные условия для обеспечения высокого качества сварного соединения среднеуглеродистой стали. Однако при сварке металла, содержащего более 0,3% С, рекомендуется проводить предварительный и сопутствующий подогрев конструкции (особенно при кольцевых швах) до температуры 180—200° С. Высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин обеспечивается при подаче электродной проволоки со скоростью, не превышающей критических значений (Рис.4).

Рис. 4. Изменение критической скорости подачи электродной проволоки при электрошлаковой сварке в зависимости от содержания углерода в основном металле.

При электрошлаковой сварке увеличение коэффициента формы металлической ванны, при прочих равных условиях, приводит к увеличению содержания в ней углерода (рис.5).

При этом, однако, стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин не снижается, так как одновременно с ростом коэффициента формы металлической ванны растет критическое содержание углерода.

Серьезной задачей при электрошлаковой сварке сталей с содержанием более 0,33% С является обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом. Эта задача частично решается путем применения сварочных проволок Св-10Г2 или Св-12ГС и перехода углерода из основного металла. Содержание углерода в шве доходит до 0,22—0,24%. Однако даже при этом прочностные свойства металла шва находятся на нижнем уровне свойств основного металла. Для повышения прочности металла шва рекомендуется применять сварочную проволоку, обеспечивающую многокомпонентное легирование. Высокой ударной вязкости металла шва и участка крупного зерна околошовной зоны для сталей этой группы так же, как и для низкоуглеродистых сталей, можно достигнуть пока только нормализацией.

Режим электрошлаковой сварки среднеуглеродистых сталей, кроме скорости подачи проволоки, аналогичен приведенному выше. Скорость подачи сварочной проволоки выбирают исходя из данных на рис.4. Например, если необходимо сварить

металл толщиной 120 мм с 0,35% С, суммарная скорость подачи электродной проволоки составит 324 м/ч (2,7×120).

При сварке двумя проволоками скорость подачи каждой из них будет вдвое меньше и составит 162 м/ч. В случае трех проволок скорость подачи каждой из них равна 108 м/ч.

Рис. 5.Доля участия основного металла в металле шва при коэффициенте формы металлической ванны: а — большом;б — малом.

При этом достигается высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин при сварке прямолинейных швов и погонной части кольцевых швов. Замыкание кольцевого шва желательно производить с еще несколько меньшей скоростью подачи проволоки и большей температурой сопутствующего подогрева.

При сварке среднеуглеродистой стали плавящимся мундштуком и электродной пластиной режим выбирают в зависимости от состава основного металла.

После сварки станину подвергают термообработке (нормализации и высокому отпуску).

При этом обеспечивается равнопрочность сварного соединения с основным металлом. В состоянии после сварки сварное соединение также имеет вполне удовлетворительные механические свойства.

Сварка высокоуглеродистых сталей.К высокоуглеродистым сталям по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием 0,46—0,75% С. Стали такого состава, как правило, не применяют для изготовления конструкций, но широко используют для изготовления деталей машин, подвергающихся наплавке.

Необходимость сварки подобных сталей возникает главным образом при ремонтных работах. Технология их сварки строится на той же основе, что и наплавка.

Сварка низколегированных сталей

По принятой классификации низколегированной называется сталь, легированная одним или несколькими элементами, если содержание каждого из них не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих не превышает 5 %. Низколегированные стали, применяемые для изготовления сварных конструкций, делят на три основные группы: низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, низколегированные теплоустойчивые стали и низколегированные среднеуглеродистые стали.

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, предназначаемые для сварных конструкций, поставляют в основном в горячекатаном или нормализованном состоянии. Ряд сталей применяют в термоулучшенном состоянии (после закалки и отпуска), что дает возможность повысить их прочность и стойкость против хрупкого разрушения. Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,23%. Стали этого типа легируют рядом элементов, например марганцем, хромом, кремнием, ванадием и др., что приводит к некоторому повышению их прочности. Поэтому их часто называют низколегированными сталями повышенной прочности.

Особенности технологии сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций.

По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. До недавнего времени считали, что металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 17Г1С, 14ХГС и др., имеет только феррито-перлитную структуру. Поэтому предполагали, что структурные изменения в шве при разных режимах сварки сводятся в основном к изменению соотношения между ферритной и перлитной составляющими, а также изменению степени дисперсности структуры.

Более углубленные исследования показали, что при повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит — бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии количество мартенсита, бейнита и остаточного аустенита в металле шва повышается (рис. 6) и дисперсность их увеличивается. Так, количество закалочных структур в швах на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали толщиной 12 мм при сварке с погонной энергией

q/v= 4 ккал/см и скорости охлаждения в интервале температур 400—600° С, примерно равной 4,5° С/с, составляет 10—11%.

Рис.6. Изменение количества структурных составляющих и твердости швов на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали (0,14% С; 1,1% Мп; 0,75% Si) в зависимости от погонной энергии:

1 — мартенсит;

2 — перлит;

3 — остаточный аустенит;

4 — твердость;

— В швах, выполненных с большой погонной энергией, количество этих структур резко уменьшается. Структура швов на этой же стали при погонной энергии 13 ккал/см и скорости охлаждения примерно 0,5—0,6° С/с состоит только из феррита и перлита. Мартенсит и бейнит образуются также и в околошовной зоне сварных соединений, например стали 14ХГС. Их количество при сварке такой стали максимально (около 3%) в участке перегрева и снижается по мере удаления от линии сплавления.

При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в мягкой ферритной основе. Однако при увеличении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения резко ухудшаются. Дополнительное легирование стали марганцем, кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства низколегированных сталей ограничивается более узкими (по значению погонной энергии) пределами, чем при сварке низкоуглеродистой стали. В ряде случаев, например при микролегировании ванадием, ванадием и азотом, а также другими элементами, склонность низколегированной стали к росту зерна в околошовной зоне при сварке незначительна.

С целью снижения разупрочнения в околошовной зоне термоулучшенные низколегированные стали следует сваривать при минимально возможной погонной энергии.

Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается в основном за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.

Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей несколько ниже, чем низкоуглеродистых, в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается снижением содержания в шве углерода, серы и некоторых других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбором соответствующей технологии сварки (последовательность выполнения швов, обеспечение благоприятной формы провара) и рациональной конструкции изделия.

Технология сварки покрытыми электродами.Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей покрытыми электродами мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистых сталей. Характер подготовки кромок, режимы сварки, порядок наложения швов практически одинаковы. Прихватки при сборке необходимо выполнять теми же электродами, что и при сварке основного шва, и накладывать только в местах, где располагается шов.

Низколегированные стали сваривают в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием типа Э42А и Э50А, обеспечивающими более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенные пластические свойства по сравнению с электродами других типов. Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода (например 09Г2) в ряде случаев используют электроды с рутиловым покрытием, например АНО-1 (тип Э42Т).

Наиболее широко применяют электроды УОНИ-13/45,

СМ-11, АНО-8 (тип Э42А) и УОНИ-13/55, ДСК-50, АНО-7 (тип Э50А), обеспечивающие прочность и пластичность металла шва на уровне свойств основного металла.

Высокая прочность металла шва при сварке электродами типа Э42А достигается за счет перехода легирующих элементов в шов из основного металла и повышенной скорости охлаждения шва. Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до —70° С, например из стали 10Г2, находят применение электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.

Швы, сваренные покрытыми электродами, в ряде случаев имеют пониженную стойкость против коррозии в морской воде, что значительно снижает эксплуатационные свойства сварных сосудов, морских эстакад и других сооружений. Это обусловлено малым содержанием в поверхностных слоях металла шва легирующих элементов (хрома, никеля, меди) вследствие низкой долиучастия основного металла в металле этих слоев. Для повышения коррозионной стойкости металл шва следует легировать хромом.

Технология сварки под флюсом.В большинстве случаев применяют те же сварочные материалы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей, плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45 (однодуговая сварка), АН-60 (многодуговая сварка с повышенной скоростью), а также сварочные проволоки Св-08ГА и Св-10Г2. Для сварки микролегированных сталей, например 15Г2АФ, в ряде случаев применяют низкокремнистый флюс АН-22 в сочетании с проволоками Св-08ХМ и Св-ЮНМА. Однако при этом швы менее стойки против кристаллизационных трещин, вследствие чего сварку рекомендуется выполнять с предварительным подогревом.

Технология сварки низколегированной стали под флюсом мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения пластических свойств металла углового шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла сечение шва следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Иногда сварку выполняют двумя дугами в раздельные ванны. Многослойные швы на толстом металле также рекомендуется выполнять двумя дугами, а при сварке одной дугой перед наложением первого слоя производить подогрев основного металла до температуры 150—200° С.

Металл швов, сваренных под флюсом, благодаря значительной доле участия основного металла и достаточному содержанию легирующих элементов обладает более высокой стойкостью против коррозии в морской воде, чем металл швов, сваренных покрытыми электродами обычного состава.

Технология сварки в защитных газах.Это в основном полуавтоматическая сварка в углекислом газе. Технология сварки низколегированных сталей в углекислом газе практически ничем не отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали. На практике применяют те же сварочные материалы, что и для сварки низкоуглеродистой стали. Так, стали 15ХСНД, 14ХГС и 10ХСНД сваривают сварочной проволокой Св-08Г2С. При однослойной сварке и сварке не более чем в два-три слоя можно применять проволоку Св- 12ГС.

Полуавтоматическую сварку в углекислом газе выполняют также порошковыми проволоками ПП-АН4 и ПП-АН8. Проволоку ПП-АН8 можно использовать и при автоматической сварке. Швы, сваренные проволокой ПП-АН8, например на стали 09Г2 равнопрочны основному металлу и имеют повышенные пластические характеристики.

Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений в морской воде применяют сварочную проволоку Св-08ХГ2С, обеспечивающую дополнительное легирование металла шва хромом.

Технология электрошлаковой сварки.Наиболее применима электрошлаковая сварка при изготовлении крупногабаритных изделий из низколегированных сталей 09Г2С, 16ГС, 15ХСНД и 14Г2 толщиной 30—100 мм, а в ряде случаев толщиной до 160 мм. Сварку ведут с применением флюса АН-8 проволоками Св-08ГС, Св-10Г2, реже Св-12ГС.

Металл шва, выполненный проволоками Св-08А и Св-08ГА, менее прочен, чем основной металл.

Применение усовершенствованных режимов позволяет часто отказаться от высокотемпературной термообработки (нормализации) сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой. Так, например, сталь 16ГС толщиной 50 мм сваривается при ускоренной подаче сварочной проволоки с увеличенной скоростью поперечных перемещений электрода и большим временем выдержки у ползунов. Примерный режим сварки следующий:

Сила постоянного тока, А……………………………900

Напряжение, В ……………………………………….42

Число электродов…………………………………….1

Скорость подачи электродной проволоки, м/ч……..576

Скорость перемещения электрода, м/ч………………75

Продолжительность выдержки у ползунов, с……….6

Глубина шлаковой ванны, мм………………………..50

Сухой вылет электрода, мм…………………………..70

сварка сталь шов

Принятый режим перемещения электрода способствует выравниванию глубины сварочной ванны по толщине металла. В связи с этим скорость подачи сварочной проволоки может быть значительно повышена без опасности образования в швах кристаллизационных трещин. В свою очередь, увеличение подачи проволоки и, следовательно, скорости сварки уменьшает перегрев околошовной зоны. Свойства сварных соединений стали 16ГС, выполненных проволокой Св-10Г2 под флюсом АН-8 на указанном режиме и после отпуска при температуре 650° С, практически такие же, как и при дуговой сварке металла равной толщины.

В табл. 1. приведены типичные режимы сварки низколегированной стали с пониженным содержанием углерода (например 09Г2ДТ).

Сварку такой стали на приведенных режимах также можно выполнять без нормализации сварных соединений.

Сварка низколегированных теплоустойчивых сталей

Детали эксплуатируемых в энергостроении машин обычно характеризуются сложностью формы, разнообразием конструктивных решений и индивидуальным характером производства. Поэтому наиболее широкое применение находит ручная сварка покрытыми электродами и полуавтоматическая сварка в защитных газах и реже автоматическая сварка под флюсом.

Работа конструкций при высоких температурах способствует протеканию диффузионных процессов. Для того чтобы снизить интенсивность этих процессов в сварном соединении, стремятся максимально приблизить состав металла шва к составу основного металла. Для сварки хромомолибденовых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ) применяют электроды типа ЭМХ по ГОСТ 9467—60. Наибольшее распространение получили электроды с руднокислым покрытием ЦП-14 и электроды ГЛ-14 с фтористо-кальциевым покрытием. Электроды последней марки изготовляют из проволоки Св-08ХМ.

Хромомолибденовые стали с малым содержанием углерода Деталь 12ХМ рекомендуется сваривать с предварительным подогревом до 200° С. При более высоком содержании в стали углерода температуру предварительного подогрева повышают до 250— 300° С.

Хромомолибденованадиевые стали (20ХМФЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф) сваривают электродами ЦЛ-20-63 (тип ЭХМФ) со стержнем из проволоки Св-08ХМФА. В этом случае необходим предварительный и сопутствующий подогрев до 300—350° С. После сварки сварные соединения подвергают высокому отпуску при температуре 700—740° Св течение 2—3 ч.

При сварке в углекислом газе стали 15ХМ и 20ХМ применяют, сварочную проволоку Св-10ХГ2СМА. При использовании этой проволоки прочностные и пластические свойства сварных соединений в интервале температур 20— 525° С практически не отличаются от свойств основного металла.

Таблица 1

Режимы термообработки конструкций, изготовленных из низколегированных жаропрочных сталей

Сталь

Режим термообработки

15XM

Посадка в печь при температуре 200° С, нагрев до 610° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 600—610° С 3 ч, охлаждение до 200° С со скоростью 40—50° С/ч с последующим остыванием на воздухе

20ХМ

Посадка в печь при температуре 300° С, нагрев до 680° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 640—680° С 4 ч, охлаждение до 200° С со скоростью 40—50° С/ч с последующим остыванием иа воздухе

20ХМФЛ

Посадка в печь при температуре 200° С, нагрев до 700° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 690—700° С 2—7 ч, охлаждение до температуры 200° С со скоростью 40— 50° С/ч с последующим остыванием на воздухе

Автоматическую и полуавтоматическую сварку этих сталей в углекислом газе проводят с предварительным подогревом до температуры 250—300° С. Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низкоуглеродистой стали. После сварки проводят высокий отпуск конструкции (табл. 1).

Теплоустойчивую сталь 20ХМФЛ сваривают в углекислом газе проволокой

Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 300—350° С, что обеспечивает повышение стойкости шва против трещин и снижение твердости металла шва и околошовной зоны. После окончания сварки конструкцию подвергают термообработке по режиму, приведенному в табл. 1 (по данным Б. С. Касаткина).

Сварное соединение стали 20ХМФЛ, выполненное в углекислом газе проволокой Св-08ХГСМФА, по всем показателям равноценно основному металлу.

Автоматическую и полуавтоматическую сварку в углекислом газе сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф осуществляют проволокой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 250—300° С. После сварки производят высокий отпуск при температуре 70—740° С.

При сварке под флюсом теплоустойчивых сталей, например 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, рекомендуется применять проволоку Св-08ХМФА и флюс АН-22. Сварку осуществляют с предварительным подогревом. Можно использовать также флюс АН-17М в сочетании с кремнемарганцовистой проволокой Св-08ХГСМФА. При указанном сочетании сварочных материалов обеспечивается получение металла шва, кратковременные и длительные механические свойства которого (в состоянии после высокого отпуска) при температуре 20—585° С полностью удовлетворяют установленным требованиям.

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/svarka-uglerodistyih-i-legirovannyih-staley/

Мотяхов М.А., Электродуговая сварка металлов. Учебное пособие для повышения квалификации электросварщиков. М., «Высш. школа», 1975.

Патон Б.Е., Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. М., «Машиностороение», 1974. 768 с.

КаховскийН.И., Электродуговая сварка сталей. Справочник. «Наукова думка», 1975.