ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

 

Назад: 1. Технология сварки углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

 

2. Технология сварки среднелегированных сталей

 

Характеристика сталей

Среднелегированные стали в зависимости от состава, характеризуются высоким пределом прочности и текучести в сочетании с достаточными пластическими свойствами (30ХГСНА), относительно высокой жаропрочностью (20ХЗМВФ), окалиностойкостью (12Х5МА) и др.

Среднелегированные стали чувствительны к образованию холодных трещин; они склонны также к развитию кристаллизационных трещин в металле шва. Это особенно проявляется при необходимости обеспечения равной прочности металла шва с основным.

 Среднелегированные стали поставляют по ГОСТ 4543 и специальным ТУ; они могут относиться или к перлитному (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХГСА), или к мартенситному (30Х2ГН2СВМА) классам.

 В зависимости от содержания серы и фосфора стали разделяют на качественные (S £ 0,036 %, Р £ 0,035 %) и высококачественные (S £ 0,025 %, Р £ 0,025 %).

 

Особенности сварки

Среднелегированные стали относятся к спокойным. Для сварки рассматриваемых сталей используют способы сварки, аналогичные теплоустойчивым сталям.

При выборе состава металла шва необходимо учитывать усло­вия работы сварного соединения и требования, предъявляемые к сварным соединениям. Поскольку углерод повышает чувстви­тельность стали к образованию кристаллизационных трещин в металле шва, то обычно содержание углерода в шве ограничи­вают до 0,23 %, а необходимые свойства получают за счет дополни­тельного легирования. Так, например, сварные соединения из стали ЗОХГСА, выполненные под флюсом АН-15, после закалки и от­пуска в зависимости от проволоки имеют sв = 130 кгс/мм2 (проволока Св-20Х4ГМА) и sв =100 кгс/мм2 ( проволока Св-18ХМА).

Для снижения вероятности образования горячих трещин из-за серы и фосфора обычно в сварных конструкциях исполь­зуют высококачественные стали.

Наряду с уменьшением содержания серы и фосфора в исход­ных материалах рационально использовать сварочные материалы (флюсы, электродные покрытия, проволоку), кото­рые обеспечивают понижение концентрации серы и фосфора в шве или уменьшают их вредное влияние. Например, содержание серы и фосфора понижается при использовании низкокремнистых флюсов с повышенным содержанием окиси кальция, например, флюса АН-15М.

Основная причина образования пор при сварке среднелегиро­ванных сталей - водород. Для предупреждения образования пор применяют различные приемы, исключа­ющие попадание влаги в зону сварки.

Среднелегированные стали обладают ограниченной свариваемостью. Это выражается в ограничении режимов сварки и тепловых условий проведения процесса, при которых обеспечиваются требуемые свойства. Ограниченная свариваемость обусловлена повышенной прокаливаемостью сталей и большой зависимостью механических свойств сталей от режима термообработки.

Наиболее опасный дефект ЗТВ - холодные трещины. Независимо от исходного состояния свариваемых сталей образование холодных трещин наблюдается в высокотемпературной области зоны аустенитизации. Переход к режимам сварки с большой погонной энергией позволяет снизить вероятность образования холодных трещин, если изменение режима приводит к снижению содержания мартенсита или предотвращает его образование в зоне термического влияния. В некоторых случаях подобный режим обеспечивается только при использовании предварительного или сопутствующего подогрева. Пред­варительный подогрев целесообразен при сварке массивных дета­лей, сопутствующий можно использовать как для тонкостенных, так и массивных деталей.

Ограничения в режимах сварки с целью предотвращения образования холодных трещин возрастают с повышением содержания углерода в стали. Это вызвано несколькими причинами: понижением температуры мартенситного превращения, критической скорости закалки и пластических свойств мартенсита с увеличением содержания углерода.

Оптимальные свойства среднелегированных сталей обеспечиваются после проведения термообработки, которая в большинстве случаев заключается в закалке (нормализации) с отпуском.

В зависимости от структурного состояния элементов, поступающих на сварку, возможно изготовление сварных узлов по двум основным вариантам: элементы поступают на сварку в термообработанном состоянии на оптимальные свойства или термообра­ботку, обеспечивающую оптимальные свойства металла, проводят после выполнения сварочных работ.

При сварке сталей в термообработанном состоянии прочность сварного соединения определяется прочностью зоны разупроч­нения. Уменьшения уровня снижения свойств сварного соеди­нения достигают путем использования режимов с малой погонной энергией и если можно, выполняют многослойную сварку. Однако режимы с малой погонной энергией могут привести к обра­зованию холодных трещин. Образованию холодных трещин при сварке элементов в термообработанном состоянии способствует также повышенная жесткость конструкции. Для предотвращения образования холодных трещин и уменьшения потерь свойств в зоне разупрочнения используют режимы сварки, характеризующиеся малой величиной погонной энергии в сочетании с по­догревом.

Обычно температуру подогрева принимают несколько ниже температуры начала мартенситного превращения. Для высоко­прочных сталей (30ХГСА, 30ХГСНА и др.) температуру подо­грева назначают в пределах 200…300 0С. Если можно, то непо­средственно после сварки узел подвергают отпуску обычно по режиму отпуска стали. Наиболее рационально использовать сопутствующий локальный подогрев (локальная термообработка), который не сказывается на протяженности зоны термического влияния сварки и в то же время позволяет осуществить или отпуск закаленного металла зоны аустенитизации, или режим, близкий к ступенчатой закалке.

Локальную термообработку осуществляют путем последова­тельного перемещения дополнительного источника нагрева: газо­вого пламени, плазменной струи или индуктора вдоль сварного соединения. Локальная термообработка может быть совмещена со сваркой или выполнена отдельно.

Если предварительный или сопутствующий подогрев, а также отпуск узла после сварки недопустимы по каким-либо условиям, а путем изменения режима сварки образование трещин не пре­дотвращается, то используют проволоку, обеспечивающую полу­чение металла шва с аустенитной структурой. В этом случае, как правило, прочность соединения определяется прочностью ме­талла шва.

Если полную термообработку проводят после сварки, то основным критерием выбора режима сварки служит предотвра­щение образования холодных трещин. Не следует применять режимы сварки с заведомо большой погонной энергией, так как их использование усиливает формирование структур перегрева. По этой причине иногда сварку ведут на режимах с малой погон­ной энергией, но в сочетании с подогревом (общим или локаль­ным).

 

Способы сварки

Для сварки покрытыми электродами в основном используют электроды с основным покрытием. В зависимости от требований, предъявляемых к металлу шва и технологии сварки, используют электроды, обеспечивающие получение среднелегированного металла шва: НИАТ-ЗМ (тип Э85), ВИ10-6, УОНИ-13/18ХМА (тип Э100), НИАТ-3 (тип Э145) и электроды, обеспечивающие получение аустенитного металла шва, НИАТ-5, ВИ12-6.

Сварка под флюсом в зависимости от требований к металлу шва выполняется высокомарганцевыми флюсами - АН-348А и низкокремнистыми безмарганцевыми флюсами - АН-15, АН-16М и др. Низкокремнистые безмарганцевые флюсы по сравнению с высокомарганцевыми флюсами позволяют получить металл шва с более высокими пластическими свойствами. Флюсы АН-15 и АН-15М несколько уступают флюсу АН-348-А в технологическом отношении, и при их использовании сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности.

Для дуговой сварки в защитных газах используют углекислый газ и аргон. При сварке в углекислом газе в зависимости от требований, предъявляемых      к шву, применяют сварочные проволоки: Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-18ХМА, Св-08ХГ2С. Св-08ХЗГ2СМ, Св-10ХГ2СМА и др.

Поскольку в проволоке Св-18ХМА пониженное суммарное содержание раскислителей, то наиболее рационально ее использовать при сварке одно- и двухслойных швов. При сварке многослойных швов применяют проволоку Св-08ХЗГ2СМ, при этом первый слой можно выполнять менее легированной проволокой, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ и др.

При сварке плавящимся электродом с целью снижения вероятности образования пор и повышения стабильности процесса рационально использовать аргон с добавками 5…10% кислорода или углекислого газа.

При сварке сталей высокой прочности (sв > 160 кгс/мм2) небольшой толщины (в основном до 3 мм) рационально использовать одностороннюю двухслойную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом с поперечными колебаниями при выполнении второго слоя. Эффект поперечных колебаний позволяет улучшить структуру металла шва и околошовной зоны за счет изменения условий кристалли­зации и термического цикла сварки.

При сварке неплавящимся электродом для увеличения глу­бины проплавления, особенно в случае использования сталей спе­циальной выплавки (электрошлакового переплава, рафиниро­ванных синтетическими шлаками и др.), целесообразно исполь­зовать активирующие флюсы-пасты. Флюс наносят на свариваемые кромки в виде тонкого слоя с помощью специального стержня-карандаша. Содержащиеся во флюсе компоненты, (главным образом фториды и окислы) способствуют сжатию столба дуги, благодаря чему и обеспечивается увеличение глубины проплавления.

При электрошлаковой сварке используют флюсы АН-8, АН-8М, АН-22 и стандартные проволоки Св-12ГС, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА, Св-10Х5М и др., которые выбирают в зависимости от состава свариваемой стали. Поскольку проволока имеет пониженное содержание углерода, то обычно применяют проволоку, которая позволяет дополнительно леги­ровать металл шва.

С целью получения металла шва с требуемыми свойствами обычно используют режимы, обеспечивающие долю участия основного металла в образовании шва до 50…60 %, что позволяет приблизить состав металла шва к основному. Так, например, электрошлаковая сварка стали 30ХГСА толщиной 70 мм под флюсом АН-22 или АН-8М проволокой Св-08ГСМТ или Св-18ХМА позволяет получить сварное соединение, равно­прочное основному металлу после полной термообработки (за­калка и отпуск).

При электрошлаковой сварке, как правило, не наблюдается образования холодных трещин. Это обусловлено малыми скоро­стями охлаждения металла зоны аустенитизации, позволяющими предотвратить образование структур закалки или обеспечить их самоотпуск. Однако подобные термические условия способ­ствуют формированию в зоне термического влияния струк­тур перегрева, что приводит к значительному снижению пласти­ческих свойств. Для восстановления свойств металла зоны перегрева применяют полную термообработку (закалку с отпу­ском).

Электронно-лучевая сварка применительно к среднелегированным сталям и особенно высокопрочным является перспективный методом, поскольку позволяет получить соединения с бла­гоприятной структурой и высокими механическими свойствами. Подобное сочетание свойств обеспечивается за счет использования режимов с малой погонной энергией.

Склонность к образованию холодных трещин швов, выпол­ненных электронно-лучевой сваркой на режимах с малой погон­ной энергией, ниже, чем швов, выполненных дуговой сваркой. Это, по-видимому, обусловлено, с одной стороны, более низким уровнем внутренних напряжений в сварных соединениях, выполненных электронно-лучевой сваркой, с другой - повышением температуры мартенситного превращения из-за большей неоднородности аустенита.

Электронно-лучевая сварка дает хорошие результаты при сварке сталей толщиной до 30 мм. При сварке более толстого металла и содержании углерода в стали свыше 0,2% возникают трудности из-за образования кристаллизационных трещин.

 

Далее: 3. Технология сварки высоколегированных сталей