Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

неполной перекристаллизации. Обычно структурные изменения на этом участке оказывают меньшее отрицательное влияние на свойства сварных соединений. Однако при определенном сочетании исходной структуры и условий нагрева и охлаждения при сварке на этом участке может иметь место разупрочнение основного металла, обусловленное либо характером новых фаз, образующихся при последующем охлаждении, либопроцессамив старыхфазахпринагреве.

Рис. 1.4. Микроструктура зоны полной перекристаллизации, сталь 09Г2С (×200)

Металл этого участка на низколегированных сталях характеризуется почти не изменяющимся ферритным зерном и некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков (рис. 1.5).

Пятый участок ЗТВ – зона разупрочнения, называемая в литературе либо зоной рекристаллизации, либо зоной отпуска.

На этом участке металл нагревается до температур ниже Ас1. Наличие зоны разупрочнения, а также происходящие структурные изменения в ней зависят от исходного состояния основного металла перед сваркой.

Если основной металл перед сваркой имел равновесное (отожженное) состояние, то участок разупрочнения в зоне термического влияния сварного соединения практически отсутствует.

21

Рис. 1.5. Микроструктура зоны неполной перекристаллизации, сталь 09Г2С (×200)

При сварке сталей после ковки или прокатки (в упрочненном состоянии после обработки давлением) на участке основного металла, нагреваемом ниже Ас1, но выше температуры рекристаллизации Трек, будут происходить процессы рекристаллизации упрочненного основного металла. Это приведет к некоторому разупрочнению металла данного участка и снижению твердости по сравнению с исходным состоянием. В данном случае зону разу-

прочнения называют зоной рекристаллизации.

Если основной металл перед сваркой подвергался упрочняющей термической обработке, например улучшению – закалке с последующим высоким отпуском, то на участке основного металла, нагреваемом ниже Ас1, но выше температуры высокого отпуска Тотп исходной термообработки, будут происходить процессы распада пересыщенных твердых растворов, коагуляции карбидных частиц, что также приводит к разупрочнению данного участка основного металла. В данном случае зону разупрочнения называют зоной отпуска.

Ширина характерных участков зоны термического влияния зависит от термического цикла сварки, способа и режима сварки, а также в некоторой степени от толщины свариваемого металла.

22

В ряде случаев при сварке толстого металла возникает необходимость выполнять сварку многими валиками. В этом случае выполнение каждого последующего валика (шва) приводит к дополнительному тепловому воздействию термического цикла как на металле ранее выполненных швов, так и на металле околошовной зоны. В результате такого воздействия металл предыдущих швов и металл околошовной зоны могут изменить свою структуру. Указанные изменения будут направлены главным образом в сторону формирования более равновесных структур и повышения пластичности металла. Степень этого влияния определяется термическим циклом при выполнении последующих швов, способом сварки, величиной погонной энергии и рядом других факторов.

Выбор тепловых режимов сварки

Все низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Обычно не возникает затруднений, связанных с возможностью образования холодных трещин, вызванных образованием в шве или зоне термического влияния закалочных структур. Однако в сталях с содержанием углерода по верхнему пределу и повышенным содержанием марганца и хрома вероятность образования холодных трещин в указанных зонах повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждение трещин достигается предварительным подогревом до 120–200 °С.

Одним из технологических средств, уменьшающих вероятность появления холодных трещин, является предварительный и сопутствующий подогрев. Для определения температуры подогрева стали можно воспользоваться специальным графиком (рис. 1.6), показывающим зависимость температуры от содержания в ней химических элементов (Сэкв – эквивалент углерода) и толщины свариваемого изделия.

23

Рис. 1.6. Определение температуры подогрева в зависимости от Сэкв и толщины свариваемого проката

Значения Сэкв, отложенные по оси абсцисс, определяются как

Cэкв = С+	Mn	+ Si	+ Cr	+	Ni	+	Mo	+	V	+ Cu	+	P	,	(1.1)
	6	5	6		12		4		5	7		2

где символы обозначают содержание соответствующих химических элементов в процентах. Предельное содержание этих элемен-

тов должно быть: 0,5 % С; 1,6 % Mn; 1 % Cr; 3,5 % Ni; 0,6 % Mo; 1 % Cu. Как видно из графика, необходимая температура подогрева возрастает с увеличением количества легирующих элементов в стали и толщины свариваемого изделия.

Ориентировочно температуру предварительно подогрева Тп можнотакжеопределитьпоформуле

Tп = 350 Cэкв (1+ 0,005 S) − 0,25,

(1.2)

где Сэкв – эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле (1.1); S – свариваемая толщина, мм.

24

Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предварительно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру, поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая деформация, возникающая в металле шва под действием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва.

1.3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Технология сварки низколегированных сталей должна разрабатываться с учетом того обстоятельства, что при уменьшении погонной энергии и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоны термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. При этом будет отмечаться снижение сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин и хрупкому разрушению. При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито-перлитная структура видманштеттового типа с пониженной ударной вязкостью.

Подготовку кромок и сборку соединения под сварку производят взависимостиоттолщиныметалла, типасоединенияиспособасварки согласносоответствующимГОСТамилитехническимусловиям.

Свариваемые детали для фиксации положения кромок относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в универсальных или специальных сборочных приспособлениях или с помощью прихваток. Длина прихватки зависит от толщины металла и изменяется в пределах 20–120 мм при расстоянии между ними 500–800 мм. Сечение прихваток равно примерно 1/3 сечения шва, но не более 25–30 мм2. Прихватки вы-

25

полняют покрытыми электродами или на полуавтоматах в углекислом газе. Перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее вырубают или удаляют другим способом. При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины из-за высокой скорости теплоотвода.

При автоматических способах дуговой и электрошлаковой сварки в начале и конце шва устанавливают выводные планки.

Дуговую сварку ответственных конструкций лучше производить с двух сторон. Выбор способа заполнения разделки при многослойной сварке зависит от толщины металла и термической обработки стали перед сваркой. При появлении в швах дефектов (пор, трещин, непроваров, подрезов и т.д.) металл в месте дефекта удаляют механическим путем или воздушно-дуговой или плазменной резкой и после зачистки подваривают. При сварке низколегированных сталей от выбора техники и режима сварки (при изменении формы провара и доли участия основного металла в формировании шва) зависят состав и свойства металла шва.

Ручная дуговая сварка

Технология ручной дуговой сварки низколегированных сталей практически не отличается от соответствующей технологии сварки низкоуглеродистых сталей.

Электроды для ручной дуговой сварки выбирают в зависимости от назначения конструкций и типа стали. Чаще всего сварку низколегированных сталей осуществляют электродами типа Э46А и Э50А с фтористо-кальциевым покрытием, которые позволяют достигать более высокой стойкости к образованию кристаллизационных трещин и повышенной пластичности по сравнению

сэлектродами других типов. Для сталей марок 09Г2, 09Г2С, 16ГС, 17ГС,10Г2, 10Г2С1 рекомендуют применять электроды марок УОНИ 13/55, К-5А, АНО-11 (тип Э50А). Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до –70 °С, например из стали 09Г2С, применяют электроды ВСН-3 (тип Э50АФ)

сфтористо-кальциевым покрытием.

26

Режим сварки выбирают в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и пространственного положения сварки.

Выбор диаметра электрода при сварке стыковых соединений

Толщинадеталей, мм	Диаметрэлектрода, мм
1,5–2,0	1,6–2,0
3,0	3,0
4,0–8,0	4,0
9,0–12,0	4,0–5,0
13,0–15,0	5,0
16,0–20,0	5,0–6,0
более20	6,0–10,0

Выбор диаметра электрода при угловых и тавровых соединений

Катетшва, мм	Диаметрэлектрода, мм
3,0	3,0
4,0–5,0	4,0
6,0–9,0	5,0

Рекомендуемые для электрода значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспорту электрода, в котором приводят его сварочно-технологические свойства, типичный химический состав шва и механические свойства. Силу тока также можно определить расчетным путем, используя допустимую плотность тока, зависящую от диаметра электрода (табл. 1.3).

Таблица 1 . 3 Значения допускаемой плотности тока в электроде

Вид покрытия	Допускаемаяплотностьтокаj вэлектроде, А/мм2,
		придиаметреэлектродаdэ, мм
	3		4	5		6
Фтористо-кальциевое	13,0–18,5		10,0–14,5	9,0–12,5		8,5–12,0

27

Силу сварочного тока определяют по формуле

Iсв = π dэ2 j,

(1.3)

где dэ – диаметр электрода (электродного стержня), мм; j – допускаемая плотность тока, А/мм2.

Техника заполнения швов и определяемый ею термический цикл сварки зависят от предварительной термической обработки стали. Сварка толстого металла каскадом и горкой, замедляя скорость охлаждения металла шва и зоны термического влияния, предупреждает образование в них закалочных структур. Это же достигается при предварительном подогреве до 150–200 °С. Именно поэтому эти способы дают благоприятные результаты на нетермоупрочненных сталях. При сварке термоупрочненных сталей для уменьшения разупрочнения стали в зоне термического влияния рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Следует выбирать режимы сварки с малой погонной энергией. При этом достигается и уменьшение протяженности участка разупрочненного металла в зоне термическоговлияния.

При исправлении дефектов в сварных швах на низколегированных сталях повышенной толщины швами малого сечения вследствие значительной скорости остывания металл подварочного шва обладает пониженными пластическими свойствами. Поэтому подварку дефектных участков следует производить швами нормального сечения длиной не менее 100 мм или предварительно подогревать их до 150–200 °С.

Сварка под флюсом

Автоматическую сварку выполняют электродной проволокой диаметром 3–5 мм, полуавтоматическую – диаметром 1,2–2 мм. Равнопрочность соединения достигается подбором флюсов и сварочных проволок и выбором режимов и техники сварки.

При однодуговой сварке применяют флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45, а при многодуговой на повышенной скорости – АН-60.

28

Для сварки марок 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 при эксплуатации не ниже –40 °С рекомендуется использовать сварочные проволоки Св-08ГА, Св-10ГА, а при температурах эксплуатации до –70 °С (сталь 09Г2С в нормализованном состоянии) – сварочные проволоки Св-10НМА, Св-10НЮ, Св-08МХ с целью обеспечения достаточного уровня ударной вязкости.

Легирование металла шва марганцем из проволок и кремнием при проваре основного металла при подборе соответствующего термического цикла (погонной энергии) позволяет получить металл шва с требуемыми механическими свойствами. Использованием указанных материалов достигается высокая стойкость металла швов к образованию пор и кристаллизационных трещин. При сварке без разделки кромок увеличение доли основного металла в металле шва и поэтому некоторое повышение содержания в нем углерода может повысить прочностные свойства и понизить пластические свойства металла шва.

При сварке низколегированных термоупрочненных сталей для предупреждения разупрочнения шва в зоне термического влияния следует использовать режимы с малой погонной энергией, а при сварке нетермоупрочненных сталей – режимы с повышенной погонной энергией. Для обеспечения пластических свойств металла шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла во втором случае следует выбирать режимы, обеспечивающие получение швов повышенного сечения, применять двухдуговую сварку или производить предварительный подогрев металла до 150–200 °С.

Сварка в защитных газах

При сварке низколегированных сталей для защиты расплавленного электродного металла и металла сварочной ванны используют углекислый газ. В качестве защитных находят применение и смеси углекислого газа с аргоном или кислородом до 30 %. Аргон и гелий в качестве защитных газов применяют только при сварке конструкций ответственного назначения. Сварку в углекислом газе выполняют плавящимся электродом. В некоторых слу-

29

чаях для сварки используют неплавящийся угольный или графитовый электрод.

При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом швов, расположенных в различных пространственных положениях, используют электродную проволоку диаметром до 1,2 мм, а при сварке швов, расположенных в нижнем положении, – проволоку диаметром 1,2–3,0 мм. Для сварки низколегированных сталей, таких как 10ХСНД, 15ХСНД, 14ХГС, 09Г2С, применяют обычно сварочную проволоку марок Св-08Г2С, Св-08ХГ2С.

Сварка стыковых швов вручную или полуавтоматами в защитных газах и порошковыми проволоками выполняется на весу. При автоматической сварке требуются приемы, обеспечивающие предупреждение прожогов и качественный провар корня шва. Это достигается применением остающихся или съемных подкладок, ручной или полуавтоматической в среде защитных газов подварки корня шва, флюсовой подушки и других приемов. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений.

Структура и свойства металла швов и околошовной зоны на низколегированных сталях зависят от использованной электродной проволоки, состава и свойств основного металла и режима сварки (термического цикла сварки, доли участия основного металла

вформировании шва и формы шва). Влияние этих условий и технологические рекомендации примерно такие же, как и при ручной дуговой сварке и сварке под флюсом.

На свойства металла шва влияет качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а также влаги

вгазе в швах могут образовываться поры. При сварке в углекислом газе влияние ржавчины незначительно. Увеличение напряжения дуги, повышая угар легирующих элементов, ухудшает механические свойства шва.

30