ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Назад: ГЛАВА III. 11. Дефекты сварных соединений, их причины и методы устранения

1. Технология сварки углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

Характеристика углеродистых сталей

Углеродистыми называются стали, в которых основным легирующим элементом является углерод. Содержание углерода в углеродистых конструкционных сталях может изменяться от 0,06 до 0,9 %. Стали широко используются в машиностроении, судостроении и т.д.

Углеродистые стали подразделяются на 2 класса:

- обыкновенного качества по ГОСТ 380: BCт l кп, пс, сп; ВСт2 кп, сп, пс; ВСт З кп, пс, сп. (0,14 % С, 0,4…0,б% Мn; 0,05…0,3 % Si);

- качественные по ГОСТ 1050: сталь 10, сталь 15, сталь 20.

В зависимости от степени раскисления указанные стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Качественные стали имеют более узкий диапазон по содержанию углерода и меньшее содержание S и Р.

Для котлостроения выпускают стали по ГОСТ 5520: стали - I2K, I5K, I8K, 20К; для судостроения по ГОСТ 5521 - сталь С (0.14..0.2 % С, 0.5…0.8 % Мп, 0,12…0.35 % Si).

Углеродистая сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380 подразделяется на 3 группы: А, Б и В:

- cталь группы А: для производства сварных конструкций не используется;

- сталь группы Б: поставляют по химическому составу (БСт1, БСт2);

- сталь группы В: поставляется по химическому составу и механическим свойствам (ВСт1, ВСт2, ВСт3).

Свариваемость углеродистых сталей в значительной степени определяется содержанием С. По содержанию углерода стали подразделяются на 3 группы:

а) низкоуглеродистые (до 0.25 %С);

б) среднеуглеродистые (0,26-0,45 %С);

в) высокоуглеродистые (0.46-0.9 %С).

Для сварных конструкций в основном используют низкоуглеродистые

стали. Применение среднеуглеродистых, а тем более высокоуглеродистых сталей приводит к значительному усложнению технологии сварки (подогрев, отпуск сварного соединения).

Характеристика низколегированных сталей

Низколегированные стали - это стали, содержащие специально введенные элементы в определенном количестве (Мn > 0,7% по нижнему пределу, а Si > 0.4). Эти элементы повышают механические свойства, в результате появляется возможность снизить массу конструкции.

Стали по системе легирования подразделяются на: марганцевые - 15Г, 20Г (по ГОСТ 1050); 09Г2, 14Г2, 18Г2 (по ГОСТ 5058); кремнемарганцевые - 12ГС, 17ГС, 10Г2С (по ГOCT 19282) и более сложного легирования – 10ХСНД, 15ХСНД.

При производстве сварных конструкций широко используют низкоуглеродистые низколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях обычно не превышает 4 %, а углерода 0,25 %.

Наличие Мn в сталях повышает прочность, ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. Медь (0,3 ÷ 0,4 %) и хром повышают стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Некоторые марки сталей применяются в сварных конструкциях после упрочняющей термообработки (отжиг позволяет получить максимальную пластичность, нормализация – средние значения по прочности и пластичности, закалка- максимальную прочность).

Свариваемость сталей

а) Низкоуглеродистые стали обладают хорошей тепловой свариваемостью. При сварке можно использовать широкий диапазон скоростей охлаждения металла в ЗTB и соответственно широкий диапазон режимов. При сварке толстостенных конструкций на морозе (-10, -20°С) возможно образование структур закалки, поэтому рекомендуется вести сварку с подогревом.

б) Среднеуглеродистые стали обладают ограниченной свариваемостью, так как склонны к закалке в ЗТВ. При сварке стали 20 максимальная скорость охлаждения равна 150 ⁰С/с, а при сварке стали 35 - 7°С/с. Для предотвращения холодных трещин применяют подогрев до 250-300 ⁰С, а после сварки для выравнивания механических свойств и повышения пластичности проводят термообработку.

Высокоуглеродистые стали обладают плохой свариваемостью. При сварке применяют подогрев, а после сварки термообработку. Для изготовления сварных конструкций эта стали, как правило, не применяют (сваривают при ремонтных работах).

в) При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и ЗТВ проявляется более значительно по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Они обладают удовлетворительной тепловой свариваемостью из-за образования структур завалки, а в некоторых случаях вследствие роста зерна. В связи с этим вводятся большие ограничения на режимы сварки. В некоторых случаях, в особенности при сварке больших толщин, используют подогрев.

Швы на низкоуглеродистых сталях обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако для сталей с 0,2-0,25 % С при сварке угловых швов и корневого слоя шва возможно образование трещин из-за неблагоприятной формы провара (0,8 ÷ 1,2). Легирующие добавки в низкоуглеродистых сталях могут повышать вероятность образования трещин.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются практически всеми способами сварки плавлением.

Способы сварки

Рядовые и ответственные конструкции из низкоуглеродистых сталей сваривают электродами типа Э42, Э46 (соответственно марки - СМ-5, АНО-1, АНО-5, ВСЦ-2 и АНО-3, АНО-4, MP-I, МР-3, ОЗС-3, ЭРС-2, РБУ-5).

Для сварки рядовых конструкций из низколегированных сталей применяют электроды типа Э42А (марки - УОНИИ -13/45; СМ-11; ОЗС-2), а для ответственных - типа Э50А (марки - УОНИИ-13/55; ДСК-50; К-5А).

При сварке низкоуглеродистых сталей под флюсом применяют флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-60 и проволоки марок Св-0,8, Св-0,8А.

При сварке низколегированных сталей используют те же флюсы, а проволоки марок Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2. Для низколегированных термоупрочненных сталей использует режимы с малой погонной энергией, а для неупрочненных - с повышенной.

Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей используют защитные газы и смеси (СО₂, СО₂+О₂, аргомикс) и проволоки Св-08ГС, Св-08Г2С. Проволоку Св-12ГС - для стали 14ХГС, 10ХСНД и 15ХСНД и ВСт1сп, ВСт2сп. Для повышения коррозионной стойкости швов применяют проволоку Св-08ХГ2С.

При сварке порошковой проволокой и проволокой сплошного сечения без дополнительной зашиты применяют проволоки марок: ПП-1ДСК, ПП-2ДСК, ПП-АН3, ПП-АН4 и Св-15ГСТЮЦА, Св-20ГСТЮА. Сварные соединения имеют механические свойства на уровне электрода типа Э50.

При ЭШС рассматриваемых сталей использует флюсы: АН-8.ФЦ-7, АН-22. Выбор проволоки зависит от марки стали: для спокойных низкоуглеродистых сталей используют проволоки Св-08А, Св-08ГА и Св-08ГС; при сварке кипящих сталей рекомендуется проволока Св-08ГС (для предупреждения газовых пузырей). Для низколегированных сталей 09Г2С, 16ГС и 15ХСНД применяют Св-08ГА, Св-10Г2, Св-08ГС, а для стали 10ХСНД - Св-08ХГ2СМА.

Характеристика теплоустойчивых сталей и особенности их сварки

Низколегированные теплоустойчивые стали относятся к перлитному классу (например, стали 12ХМ, 12Х1МФ). Они характеризуются достаточной жаропрочностью, жаростойкостью, запасом пластичности и стабильностью структуры при температурах до 600 ⁰С, что позволяет использовать их в зависимости от состава для работы в области температур 450…585 ⁰С.

Повышенная прочность стали в области высоких температур достигается за счет упрочнения легирующими элементами твердого раствора железа и формирования устойчивых карбидов, не склонных к коагуляции. Основные легирующие элементы теплоустойчивых сталей – карбидообразующие элементы: хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий. Содержание углерода в хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталях обычно 0,08… 0,12 %.

Теплоустойчивые стали упрочняются термообработкой. Однако, как правило, стали используют или в отожженном состоянии, или после нормализации и высокого отпуска (при температуре 650…750 ⁰С в зависимости от марки стали). Использование сталей в подобных состояниях обусловлено особенностями их работы: длительные сроки службы (сотни тысяч часов) при повышенных температурах (450…585 ⁰С).

Особенности сварки

Теплоустойчивые стали относятся к спокойным, оптимальными способами сварки являются: покрытыми электродами, в аргоне неплавящимся электродом, в углекислом газе, под флюсом и электрошлаковая сварка.

Сварные соединения теплоустойчивых сталей, как правило, подвергаются длительной эксплуатации при повышенных температурах. При подобных условиях получают значительное развитие диффузионные процессы. При различии в составе металла шва и основного, особенно по карбидообразующим элементам, возможно перераспределение углерода, обладающего повышенной диффузионной подвижностью по сравнению с другими компонентами стали. Это может привести к неблагоприятному изменению свойств металла в зоне сварного соединения. Для предотвращения развития указанных процессов состав металла шва должен быть близким к основному. В первую очередь это относится к содержанию карбидо-образующих элементов.

С целью предотвращения образования кристаллизационных трещин содержание углерода в металле шва ограничивают в пределах 0,07…0,12%, а необходимые свойства металла шва обеспечивают за счет дополнительного введения легирующих элементов, исключающих заметное развитие диффузионных процессов в области границы сплавления. В этом случае рационально использовать комплексное легирование металла шва хромом, молибденом, ванадием, вольфрамом, чтобы градиент концентраций по каждому элементу в зоне сплавления был небольшим.

Следующей особенностью теплоустойчивых сталей является склонность к образованию закалочных структур (мартенсит). Это необходимо учитывать при выборе режима сварки, особенно при многослойной сварке элементов большой толщины. Для предотвращения образования холодных трещин сварку теплоустойчивых сталей, особенно при толщине соединяемых элементов свыше 10 мм, выполняют с подогревом, на обратной полярности, способами. дающими минимальное содержание водорода в металле шва.

Температуру подогрева (местного или общего) назначают в зависимости от марки свариваемой стали. С увеличением содержания углерода и степени легирования температура подогрева повышается. Например, для сталей 12МХ и 15ХМ Т_п = 200…250 °С, а для сталей 20ХМФ, 15Х1М1Ф Т_п = 350…450 °С. Поскольку теплоустойчивые стали обладают пониженной теплопроводностью и повышенным коэффициентом линейного расширения, то для предотвращения развития значительных внутренних напряжений нагрев до необходимой температуры и последующее охлаждение ведут с малыми скоростями (30…70 °С/ч).

Улучшение свойств металла зоны термического влияния (снижение остаточных напряжений, стабилизация структуры и выравнивание свойств после сварки) достигают, как правило, за счет высокотемпературного отпуска. Более оптимальные свойства достигаются при проведении полной термообработки (нормализация и высокотемпературный отпуск) сварного изделия. Однако подобную термообработку к громоздким сварным изделиям применить, как правило, не представляется возможным.

Термообработке не подвергаются сварные соединения из хромомолибденовых (12МХ, 15ХМ, 20ХМ-Л) при толщине до 10 мм и хромомолибденванадиевых (15Х1МФ) сталей при толщине до 6 мм.

Способы сварки

Сварка покрытыми электродами - основной способ выполнения сварных соединений теплоустойчивых сталей. Это обусловлено тем, что детали и узлы энергетического машиностроения отличаются сложностью и разнообразием конструктивных решений и единичным характером производства. Сварку осуществляют, используя электроды с основным покрытием (после прокалки) на обратной полярности. В зависимости от состава свариваемой стали применяют электроды: для стали 12МХ - типа Э-09МХ (марки ГЛ-14 со стержнем из проволоки Св-08ХМ); для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л - типа Э-09Х1МФ (марки ЦМ-20-63 со стержнем из проволоки Св-08ХМФА) и др. В некоторых случаях для сварки сталей 12МХ, I5MX и 20МХ-Л используют электроды с рутиловым покрытием типа Э-09МХ марки ЦЛ-14 со стержнем из проволоки Св-08А.

Сварку под флюсом выполняют в сочетании с легированной сварочной проволокой, например: флюс АН-22 с проволокой Св-08ХМФА или флюс АН-17М с проволокой Св-08ХГСМФА.

Сварка вольфрамовым электродом в аргоне применяется как в заводских условиях, так и на монтаже при выполнении корневых слоев шва труб поверхностей нагрева котлов, паропроводов, когда сварка выполняется без подкладных колец. Применяется присадочная проволока марок Св-08МХ, Св-08ХМ, Св-08ХМФ и др.

Широко используют сварку в углекислом газе; марку проволоки выбирают в зависимости от состава свариваемой стали, так для стали 20ХМ применяют проволоку Св-10ХГ2СМА, для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л - проволоку Св-08ХГСМФА.

Далее: 2. Технология сварки среднелегированных сталей