книги / Сварка при низких температурах

ми элементами, благоприятно воздействующими на свойства на­ плавляемого металла. Электродные проволоки скрепляются при помощи тонких стальных связок и фиксируются в разделке шва либо легкими прихватками (при сварке без подкладки), либо при помощи медной подкладки; в последнем случае, кроме обеспече­

ния полного провара корня шва и легирования металла, достигает­ ся формирование обратной стороны шва.

В зависимости от необходимой погонной энергии назначается количество проволок в пучке. Помимо легирующего и раскисляю­ щего действия, пучок электродных проволок оказывает и техноло­ гическое влияние, так как во время сварки первого слоя холодный основной металл не подвергается непосредственному воздействию тепла дуги, что могло бы приводить к образованию трещин при низких температурах. Кроме того, при сварке по пучку проволок устраняются прожоги свариваемых деталей, а также представляет­ ся возможность производить сварку с использованием повышенных значений 'погонной энергии дуги, что не только обеспечивает пол­ ный провар корня шва, но также улучшает механические свойства шва и его формирование с обратной стороны. При сварке по пучку электродов следует учитывать возможность непровара и несплавления по кромкам. Поэтому сварку этим методом должны произ­ водить сварщики высокой квалификации, а контроль сварных со­ единений должен быть ужесточен. Изменение числа проволок, вхо­ дящих в пучок, а также их диаметр дает возможность в значитель­ ных пределах регулировать погонную энергию. Возможность ре­ гулирования погонной энергии лучше достигается при диаметре проволок, входящих в пучок, равном 2 мм. Для сварки применя­ лась марганцовистая 'проволока марки Св10Г2 с содержанием до 1,63% Мп, алюминиевая проволока марки Св12 с содержанием от 0,43 до 0,98% А1. Легирование первого слоя только одним марган­ цем позволяло значительно увеличить его содержание в сварном

шве.

Однако при сварке сталей с повышенным содержанием угле­ рода, склонных к образованию горячих трещин в сварных швах, легирование одним марганцем оказалось недостаточным, потребо­

валось легирование				первого		слоя
шва	также		алюминием..			При			Таблица 12
сварке	малоуглеродистой					стали		Ударная	вязкость в кГм/сн
по пучку		легированной			проволо­		Сварочный	при температуре испытания
ки были		получены		швы		более			в °С
прочные,		чем	основной		металл.		ток в а	+20	-40
Значения		ударной вязкости свар­
ных швов, выполненных по пуч­
ку легированной проволоки при­							250	20,5	15,7
ведены в табл.			12. Режим сварки
при ремонте судовых котлов в
условиях		низких		температур			300	14,9	8,9
приведен		в табл. 13.

Количество про­
волок с присад­		металла
	кой
марганца	е	Толщина DММ
	S
	о
	s
2	*	10-19
2	2	20-25
3	2	25-30

Начальная темпера­ тура металла в °С

ОТ —5 ДО

- 1 5

от —35 до - 4 0

от —5 до - 1 5

от —35 до - 4 0

от —5 до - 1 5

от —35 до - 4 0

				Таблица 13
Первый слой шва			Второй и последующие
			Диаметрэлек­ втродамм	слои шва	Напряжение вдугио
Диаметр втрода	Сварочный втока	Напряжение вдугив		Сварочный втока
элек­ мм
4	180-200 25 -30		5	200—220 25 -30
5	260-280 25 -30		6	280—300 25 -30
4	200-220 25-^30		5	220-240 25 -30
5	270-290 25 -30		6	290—310 27—32
5	240-260 27-32		6	260-280 27—32
5	280-300 27-32		6	300-320 27-32

Сварка производилась электродами с покрытием УОНИ-13/45. Приведенные величины сварочного тока относятся к сварке в ниж­ нем положении. В отдельных случаях, а именно, при сварке не за­ крепленных жестко элементов, рекомендуется предварительный подогрев свариваемых кромок, который, замедляя скорость охлаж­

дения,	снижает		неравномерность
нагрева,	тем самым			способствует
снижению		сварочных		напряжений
и деформаций. Повышенная						темпе­
ратура	предварительного				подогре­
ва может приводить к возникнове­
нию в свариваемых деталях						плас­
тических деформаций				сжатия; поэ­
тому желательно			эту	температуру
Фиг. 44. Проковочная гребенка, ограничить		до 2 0 0 — 2 5 0 ° С.				Иссле­
дования А.		И. Пащенко			позволили

рекомендовать проковку сварных швов но слою шлака при темпе­ ратуре наплавленного металла не ниже 3 5 0 — 4 0 0 ° С для уменьше­ ния сварочных напряжений. Для снижения остаточных сварочных

.напряжений проковка швов при указанных температурах является гораздо более эффективной, чем проковка металла в холодном состоянии. При низких температурах эти напряжения особенно

122

опасны для статической прочности сварного соединения, так как они создают объемное напряженное состояние.

Предложенный способ проковки наплавленного металла по слою шлака сразу после наложения каждого слоя шва при помощи пневматического молотка, делающего до 2 тыс. ударов в минуту и проковочной гребенки с четырьмя сферическими закругленными выступами (фиг. 44), позволяет отказаться от отдельной операции очистки шва от шлака, которая в данном случае совмещается с проковкой.

Металлографические исследования подтвердили полную целе­ сообразность применения проковки, показав значительно меньшее количество шлаковых включений в швах, что положительным обра­ зом сказалось на механических свойствах сварных соединений.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ МЕТАЛЛА БОЛЬШИХ ТОЛЩИН ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Исследования влияния скорости охлаждения на структуру и ме­ ханические свойства шва при сварке малоуглеродистой стали в за­ висимости от толщины основного металла, режима сварки и на­ чальной температуры свариваемых деталей были проведены в Институте электросварки им. Е. О. Патона.

Исследование проводилось на сталях, применяемых для свар­ ных мостов; полученные результаты могут быть распространены

на сварку сталей			марок МСт. 2 и МСт. 3. Для сварки применяли
марганцовистую проволоку					марки	А по ГОСТу 178-48, диаметр
5 мм, флюс марки АН-348. В табл.						14 приведены данные, характе-
							Таблица 14
				Ударная вязкость в кГм/см*
Место вырезки образца				при -температуре испытания в “С			Режим сварки
					—20	+15
				-40
Угловой	шов нахлест-			6,1	7,5	8,2	Перемениый'ток 800 а—
ного соединения, тол­				7,0	7,4	8,7	напряжение	38	в,
щина	листов	45	и	7,6	8,1	9,9	скорость	сварки
50 мм							20 м/н
Стыковой	шов,	толщи­		7,7	10,0	14,8	Переменный ток 775 а,
на листов 20 мм				8,0	9,2	14,2	напряжение 38 в, ско­
							рость сварки 22 м/ч
Стыковой	шов,	толщи­		9,5	8,3	14,2	Постоянный ток 700 а,
на листов 14 мм				8,1	8,1	14,0	обратной полярности,
							напряжение	30	в,

скорость сварки 30ис/«г.

123

ризующие влияние толщины свариваемого металла на ударную вязкость шва при различных температурах.

Испытания показали, что с увеличением толщины свариваемых пластин происходит уменьшение ударной вязкости как при низких температурах, так и при +15° С. Порог хладноломкости находитсяниже —40° С, так как при этой температуре ударная вязкость во всех случаях сохранялась относительно высокой. Проверка изме­ нения механических свойств в зависимости от химического соста­ ва металла шва, склонности его к старению, количеству и харак­ теру шлаковых включений показала, что ни один из указанных факторов не оказывает влияния на изменение механических свойств. Следовательно, причиной изменений механических свойств- с увеличением толщины металла является увеличение скорости охлаждения, которое приводит к структурным изменениям, происхо­ дящим в процессе охлаждения. Швы, полученные на толстом ме­ талле, отличаются от швов, полученных на тонком металле, того же химического состава, большим количеством перлита и более тонким его строением.

Механические свойства доэвтектоидной стали определяются со­ держанием в ней перлита, с увеличением количества которого ра­ стет прочность и уменьшается пластичность металла. В этом же направлении действует и дисперсность перлита, т. е. для перлита с очень тонкими пластинками цементита характерно повышение прочности -и уменьшение пластичности. Следует заметить, что с увеличением толщины свариваемого металла пластичность свар­ ных соединений уменьшается вследствие неблагоприятных струк­ турных изменений и структурных напряжений в металле шва и околошовной зоне, действия масштабного фактора, увеличения сварочных напряжений первого рода и ухудшения качества ос­ новного металла. Эти факторы значительно снижают пластичность сварных соединений при наличии низких температур и резкой кон­ центрации напряжений. При проверке влияния режима сварки на механические свойства металла шва было установлено, что эти из­ менения выражаются в снижении прочности и повышении пла­ стичности металла шва при увеличении погонной энергии, конечно, с одновременным увеличением сечения шва.

Изменения режима сварки сказываются на строении перлит­ ной составляющей следующим образом: с увеличением тепловой мощности уменьшается количество перлита и наблюдается его коа­ гуляция. Опыты по определению влияния начальной температуры основного металла на механические свойства металла шва показа­ ли большое значение этого фактора, влияющего на скорость охла­ ждения металла шва.

Результаты исследования позволили сделать ряд практических рекомендаций. В связи с тем что влияние скорости охлаждения наиболее резко сказывается при сварке угловых и многослойных стыковых швов и поэтому угловые швы малого сечения, наложен­ ные на толстом металле, обладают весьма высокой прочностью и

124

пониженной пластичностью, их нельзя рекомендовать при сварке

ответственных конструкций. Рекомендуемое исследователями со­ отношение между толщиной свариваемого металла и размерами шва приведено в табл. 15.

					Таблица 15
Толщина листа в мм		16-24	25-40	|	41-50
Сечение наплавленного метал­			50		60
ла в ммг не	менее . . . .	35
Скорость	охлаждения	при этом не должна превышать 30° С в
секунду. Для	суждения	о качестве	сварной конструкции, кроме

прочности металла шва, следует учитывать и его пластичность, ко­ торая определяет способность металла выравнивать концентрацию напряжений и предупреждать хрупкий характер разрушения.

Установлено, что скорость охлаждения зависит главным обра­ зом от трех факторов: от толщины свариваемого металла, началь­ ной температуры ..свариваемых деталей и от режима сварки (сече­ ния шва или слоя).

Исследование влияния этих факторов не только при автомати­ ческой, но и при полуавтоматической и ручной сварке показало также, что механические свойства сварного соединения зависят от скорости охлаждения в интервале субкритических температур. С увеличением скорости охлаждения или, иначе говоря, с увеличе­ нием толщины основного металла, с уменьшением сечения шва и понижения начальной температуры свариваемых деталей возра­ стает прочность и снижается пластичность металла шва. Последнее объясняется также количеством и строением перлитной фазы шва. Это исследование проводилось применительно к автоматической и полуавтоматической сварке, с использованием основного металла, флюса и электродной проволоки, применявшейся в вышеуказанных

опытах	[129],	а для ручной сварки использовались электроды
с покрытием		УОНИ-13/45. При испытании ударной вязкости
металла	шва	при температуре от +20 до —60° С обнаружи­

лось, что значения ударной вязкости швов, сваренных автоматом, полуавтоматом и вручную, сохраняются удовлетворительными; температура порога хладноломкости металла шва для всех видов сварки находится ниже, чем у основного металла. Механические свойства практически одинаковы у швов, не имеющих макродефек­ тов в виде шлаковых включений, пор и др. Но если учесть, что при ручной сварке практически трудно получить швы без макродефек­ тов и что их количество повышается с увеличением толщины сва­ риваемого металла, то преимущества автоматической сварки пе­ ред ручной будут очевидны. Количество образцов с макродефекта- м« при ручной сварке составляло 60%, в то время как при автома­ тической и полуавтоматической всего лишь 1,0—1,5%• Кроме того, опыты показали, что при прочих равных условиях швы, выполнен­

125

ные автоматом, несколько более пластичны и менее прочны по сравнению со швами, полученными вручную.

Для уменьшения скорости охлаждения свариваемых деталей рекомендуется предварительный подогрев до 150—200° С.

СВАРКА АРМАТУРНЫХ СТЕРЖНЕЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

На одном из отечественных заводов группой инженеров было проведено исследование сварки при низких температурах ванным способом арматурных стержней из стали марки Ст.5 диаметром до 100 мм. Сварка опытных образцов диаметром от 30 до 70 мм осу­ ществлялась электродами с покрытием УОНИ-13/55А, как при комнатных, так и при низких температурах.

Как показало металлографическое исследование, различие в ‘размерах зон наплавленного металла образцов, сваренных при положительных и низких температурах, незначительное; неболь­ шое уменьшение ширины зоны термического влияния в образцах, сваренных на морозе, объясняется большей скоростью охлажде­

ния.

Результаты механических испытаний .на растяжение показа­ ли, что температура окружающего воздуха при сварке ванным способом стали марки Ст.5 практически не влияет на прочност­ ные и пластические свойства сварных соединений.

Испытания на ударную вязкость образцов, сваренных при низ­ ких и положительных температурах, произведенные в интервале от -1-20 до —40° С, показали также отсутствие влияния температуры окружающей среды на вязкость наплавленного металла. Гораздо большее влияние оказывает температура испытаний. Определен по­ рог хладноломкости, равный —30, —40° С. Ввиду отсутствия зака­ лочных структур в -переходной зоне и практически одинакового значения прочностных и пластических характеристик стыков, сва­ ренных на морозе и при положительных температурах можно ре­ комендовать сварку ванным способом арматурных стержней из стали марки Ст.5 при низких температурах.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОССТРОЯ СССР НА СВАРКУ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Ниже приводится выписка из «Технических условий на изготов­ ление и монтаж стальных конструкций из углеродистых и низколе­ гированных сталей» Госстроя СССР, касающаяся вопросов свар­ ки при низких температурах.

Ручная и полуавтоматическая сварка стальных конструкций при различной температуре воздуха должна производиться в соот­ ветствии с указаниями табл. 16.

При этом сварка листовых объемных конструкций из стали тол­ щиной более 20 мм должна производиться каскадом или горкой*,

126

Характе­

ристика

стали

сталь

се

я

S

г<

О

О.

0)

ч

U >»

о

S

2

к

я

О в;

g*g £ о

ч 5 о g а *

я

S

а;

Тип конструкций

Решетчатые кон­ струкции и угло­ вые швы сплошностенчатых конст­ рукций

Листовые объем­ ные конструкции и стыковые соеди­ нения сплошностенчатых кон­ струкций

Решетчатые кон­ струкции и угло­ вые швы сплошностенчатых конструкций

-----------------------------Таблица 16

Толщина ме­ талла в мм

До 30 ВКЛ.

До 30 »

31 -50 »

31-50 »

51-70 »

51—70 »

До 16 »

До 16 »

17-30 »

17-30 »

31—40 »

31 -40 »

41—50 »

4 i—50 »

До 20 ВКЛ.

До 20 »

21—30 »

Условия сварки при тем­ пературе воздуха

стали Н"ж е - 30° С б« подогрева

30° С с подогревом стали до 100—150°с

Не ниже — 10° С без подогрева стали

Ниже — 10° С с подогревом ста­ ли до 100—150° С

Не ниже 0°С без подогрева стали

Ниже 0° С с подогревом стали до 100-150° С

Не	ниже — 30° С без подогрева
стали
Ниже — 30° С с подогревом ста­
ли до	100—150° С
Не	ниже — 20° С без подогрева
стали

Ниже — 20° С с подогревом ста­ ли до 100—150° С

Не ниже — 10° С без подогрева стали

Ниже — 10° С с подогревом ста­ ли до 100—150° С

Не ниже 0°С без подогрева стали

Ниже 0°С с подогревом стали до 100—150° С

Не ниже - 20° С без подогрева стали

Ниже - 20° С с подогревом ста­ ли до 100—150°С

Не н и ж е - 1 0 ° с	без подогрева
стали	__1

127

Характе- , ристика Тип конструкций

стали

		Решетчатые кон­
		струкции и угло­
	л	вые швы сплошно-
		стенчатых
	ч
	со	. конструкций
	Н
	О
	к
	а

Толщина ме­ талла в мм

21—30 вкл.

■	оI
со

31-40 *

Продолжение табл, 16

Условия сварки при тем­ пературе воздуха

Ниже — 10° С с подогревом ста­ ли до 100—150° С

Не ниже 0° С без подогрева стали

Ниже 0°С с подогревом стали до 100-150° С

ге		До	16.
о
0
сх
21	Листовые объем­	До	16
	ные конструкции
	и стыковые со­

	единения сплошно-	17—30
	стенчатых
	конструкций
		17—30

»Не ниже — 15° С без подогрева стали

»Ниже — 15° С с подогревом ста­

ли до 100—150° С

»	Не ниже	0° С без подогрева
	стали
»	Ниже 0° С	с подогревом стали

до 100—150° С

При мечанис. Указанный в таблице по.цогрев предусматривает местный нагрев стали на 1ширину не менее 100 млi с каждой сто|роны шва в зоне выполнения сварки.

двусторонней сваркой . секциями и другими равноценными мето­ дами. Сварка при отрицательных температурах без подогрева должна производиться электродами с покрытием основного типа или равноценными им со свойствами не ниже типа Э42-А по ГОСТу 9467-60.

При сварке низколегированных сталей режимы сварки и мини­ мальные размеры сварных швов должны обеспечивать следующие показатели пластичности и вязкости металла шва и околошовной зоны: твердость по Бринелю не выше 300 единиц и ударная вяз­ кость при —40° С не ниже 3 кГм/см2. Автоматическую сварку кон­ струкций из углеродистой и низколегированной стали по техноло­ гии, применяемой при положительных TeMnepafypax окружающего воздуха, применяют при выполнении:

а) угловых и стыковых соединений металла толщиной до 16 мм включительно при температуре воздуха до —30° С,

б) стыковых соединений металла толщиной 17—30 мм при тем­ пературе воздуха до —25° С,

в) стыковых соединений металла толщиной свыше 30 мм при температуре воздуха до —15° С.

При более низких температурах воздуха автоматическая сварка может производиться только по специальной разработанной техно­ логии, предусматривающей увеличенные тепловложения и сниже­ ние скорости охлаждения.

128

Электрошлаковая сварка малоуглеродистых и низколегирован­ ных сталей может производиться без ограничения их толщины и температуры окружающего воздуха.

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ ИЗ ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКИ

При сварке сферического резервуара атомного реактора в Даунри (Англия) диаметром 40 ж и весом 1500 т, изготовленного из большого числа плит толщиной от 25 до 48 мм из особой стали, об­ ладающей высокой ударной вязкостью при низких температурах, работы велись только в два летних сезона с перерывом на зиму. Для получения сварных швов, обладающих высокой плотностью и сопротивляемостью хрупкому разрушению при пониженных темпе­ ратурах, были разработаны специальные низководородистые элек­ троды с покрытием основного типа. Предварительные механичес­ кие испытания наплавленного металла при температурах от +20 до —70° С показали требуемую ударную вязкость (при температу­ ре —10° С значения были выше 7,0 кГм/см2).

На специфику проведения работ при низких температурах име­ ются указания и во французской технической литературе, в кото­ рой отмечается, что при дуговой сварке в холодное время года не­ обходимо считаться как с физиологическим фактором, т. е. рабо­ тоспособностью сварщика, так и с технологическим фактором, т. е. чувствительностью свариваемой стали к закалке. Развитие трещин объясняется возникновением трехосных внутренних напряжений и значительным понижением ударной вязкости при низкой темпера­ туре. Не рекомендуется оставлять в зимнее время на ночь незакон­ ченные швы в силу того, что понижение температуры ночью вызо­ вет возникновение добавочных напряжений. Рекомендуется пред­ варительный подогрев основного металла в местах сварки, так как замечено, что большинство трещин проявляется в начальный пери­ од сварки на первых 50 мм длины шва.

Проведение ремонта различного оборудования на одной из наи­ более удаленных от материка военно-воздушной базе в Гренлан­ дии, а также большие затруднения, связанные с перевозками вод­ ным путем материалов вследствие замерзания моря в этом районе почти на 10 месяцев, заставили руководство базы прибегнуть к сварке как средству ремонта. Первым успешным опытом был ре­ монт генератора, в блоке которого образовались низкотемператур­ ные трещины. С помощью специальных бескислородных электро­ дов указанные трещины были быстро заварены. В последующем (речь относится к периоду 1956 г.) сварка позволила весьма эко­ номно исправить многие узлы и детали. Этот опыт показал, что сварка может быть успешно применена на арктических базах.

9 Зак. 737

ГЛАВА X

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ

ЭЛЕКТРОДНАЯ ПРОВОЛОКА И ФЛЮСЫ

Отечественная сварочная техника располагает достаточной но­ менклатурой флюсов и электродных проволок, обеспечивающих высокое качество сварных соединений при низких температурах.

В табл. 17 для примера приведены величины ударной вязкости металла шва при использовании сварочных материалов в различ­ ных сочетаниях при сварке стали марки 15ХСНД.

Сварочные		Ударная вязкость		Сварочные
		в кГм/см*	при темпе-|
материалы		ратуре испытания з °С		материалы
Марка	Марка	20		Марка	Марка
проволоки	флюса			проволоки	флюса
		15,1	-40 1
Св08ГА	АН-10		7,8	Св08ГА	АН-348
Св08	АН-10	14,1	7,4	Св08	ОСЦ-45
Св12М	АН-10	13,1	10,3	Св08	АН-348
Св08ГА	ОСЦ-45	12,7	7,3

Таблица 17

Ударная вязкость- в кГм/см* при темпе­ ратуре испытания в°С

20	—40
12,4	8,3
11,6	6,6
11,2	6,8

Широко применяемые в промышленности флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45 обеспечивают получение при низких темпера­ турах наряду* с высокими значениями ударной вязкости сварных соединений, также высокую стойкость -металла сварного шва про­ тив образования горячих трещин.

.Работами Института электросварки им. Е. О. Патона и ряда других научно-исследовательских .институтов было показано, что на ударную вязкость металла шва оказывает влияние состав не только флюса, но и электродной проволоки. Результаты ис­ следования В. В. Подгаецкого [140] убедительно показали, что снижение содержания SiC>2 и МпО во флюсе, а также исполь­

зование проволоки с повышенным против обычного		содержа­
нием марганца, повышают	ударную вязкость, что объясняется,
по мнению исследователя,	различием в характере	первичной

130