книги / Сварка при низких температурах

УОНИ-13/45А, обладают низким сопротивлением коррозии по срав­ нению с основным металлом. За 2—3 года эксплуатации судов глу­ бина коррозии металла швов на наружной обшивке составляет от 5 до 7 мм. Такая сильная коррозия объясняется низким содержа­ нием легирующих элементов, т. е. хрома и никеля в металле свар­ ных швов по сравнению с основным металлом.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона в содружестве с одним из судостроительных заводов проведено исследование по ука­

занному вопросу, результаты ко-

цГм/сн*

торого

показали,

что

достаточно

обеспечить

легирование

металла

шва

хромом в количестве

0,7—

1,0%,

чтобы устранить коррозию

g

сварных

соединений

в условиях

N.

Поеле сварки

воздействия

морской

воды. На

|

основе

испытания

разработаны <1

электроды марки АН-Х7 для

|

ручной

дуговой сварки

и

элек- ,§■

После■искусственного

тродная

проволока

марки

старения

Св08ХГС для сварки

в углекис­

лом газе

судостроительной

стали

J ’

типа

СХЛ.

Состав

покрытия

электродов

марки

АН-Х7,

изго­

20

0

- 20

-4 0

- 6 0 ‘С

7еппература испытания

товляемых

из проволоки

марки

Св08А

(в

весовых

частях):

Фиг. 46. Изменения ударной вязкости

50 — мрамора, 17 — плавикового

швов,

выполненных

с применением

электродов

с

пластмассовым

покры­

шпата, 2 — ферромарганца, 9 —

тием,

в зависимости

от температуры

ферротитана, 3 — ферросилиция,

испытания.

7 — феррохрома, 8 — кварца или

соды,

4 — силиката-

кварцевого

песка, 1,5 —кальцинированной

глыбы, размельченной в порошок, 2 — жидкого стекла. Электроды обеспечивают сварку во всех пространственных по­

ложениях на постоянном токе обратной полярности. При примене­ нии электродов диаметром 4 мм сила тока для сварки в нижнем положении рекомендуется в пределах 170—220 я, в вертикальном и потолочном положениях— 140—170 а. Ударная вязкость металла шва при температуре —40° С равняется 8 — 12 кГм/см2, при —60°С

,8—10 кГм/см2. Состав проволоки марки Св08ХГС для сварки в сре­ де углекислого газа: до 0,10% С, 1,3—1,6% Мп, 0,4—0,7% Si, 0,8—1,1% Сг, до 0,6% Ni, 0,03% S<0,03% Р. Сварка этой прово­ локой обеспечивает высокую ударную вязкость сварных соединений при низких температурах: 8—12 кГм/см2при —40° С и до 10 кГм/см2

при —60° С.

Эллектроды марки ВН-48. В 1951 г. под руководством д-ра техи. наук проф. Г. А. Николаева в МВТУ было проведено исследование ударной вязкости сварного соединения при температуре —35° С, выполненного электродами марки ВН-48. Исследование произво­ дилось при сварке в стык пластин из стали марки Ст. 3.толщиной

141

12 мм. Сварка выполнялась на постоянном токе 180 а, диаметр электрода 4 мм. Сварка производилась в несколько слоев с под­

варкой с обратной стороны шва. Ударная вязкость проверялась иа образцах Шарли размером 1 0 X 1 0 X 5 5 мм с надрезом посредине шва.

Результаты исследования установили возможность применения указанных электродов для сварки изделий, эксплуатируемых при низких температурах (до —35°С), так как подавляющее большин­ ство испытанных образцов дали вполнеудовлетворительные зна­ чения ударной вязкости.

Для замедления охлаждения шва при наложении первого слоя многослойной сварки требуется подогрев свариваемых кромок, на­ ложение последующих слоев шва производится до остывания пре­ дыдущего слоя. Наиболее целесообразно накладывать первый слой в виде ниточного шва с последующей его переваркой. Проверка электродов марки ВН-48 на склонность к образованию горячих трещин в процессе сварки показала, что они не хуже в этом отно­ шении, чем электроды марки УОНИ-13/45.

Электроды марки СК-У для сварки среднеуглеродистых сталей. В. В. Степановым, А. Н. Крохом и А. А. Кирилловым [154]

разработаны	электроды	марки	СК-У,	обеспечивающие		удар­
ную вязкость	металла	шва на	среднеуглеродистой		стали	при
—40° С в пределах 10—15 кГм/см2, при				комнатной	температуре
12—20 кГм/см2. Эти электроды			дают возможность		производить

сварку во всех пространственных положениях (что особенно важно в монтажных условиях). Сварку производят постоянным током обратной полярности. Эти электроды соответствуют типу Э50А; для их изготовления применяется проволока марок Св08 и Св08А. В состав покрытия входят: плавиковый шпат, мел, двуокись титана, ферросилиций, ферромарганец, каолин, железный порошок и др. Толщина покрытия при диаметре проволоки 5 мм составляет 1,4—1,5 мм на сторону.

Электроды марки УП-1 с пониженным содержанием марганца. В. С. Аристовым и А. А. Фильчаковым [3] в своих исследо­ ваниях, взамен электродов марки ЦМ-7, содержащих в покры­ тии -значительное количество марганца и обладающих поэтому повышенными, токсическими свойствами, рекомендуют электроды марки УП-1 с меньшим содержанием марганца. Они пригодны для сварки швов в нижнем и вертикальном положении на постоянном й переменном токе. Эти электроды обеспечивают высокие качест­ ва сварных соединений как при положительных, так и при низких температурах. При —60° С ударная вязкость металла шва состав­ ляет 12,5 кГм/см2.

Онекоторых зарубежных электродах. Армстронг и Уорнер

[4](США), изучая свойства сварного шва при низких температу­ рах, указывают, что величины ударной вязкости наплавленного ме­ талла, удовлетворяющие требованиям промышленности, могут быть получены при температурах ниже —100° С, если сварку выпол-

142

нять электродами из никелевой стали с покрытиями, содержащими незначительное количество компонентов, которые способны выде­ лять водород.

Омори, Маруока и др. (Япония), изучая свариваемость и тер­ мическую обработку сталей в различной степени легированных ни­ келем, хромом и марганцем, предназначенных для труб, эксплуа­ тируемых при низких температурах в химической промышленности, показали, что лучшие результаты обеспечивают электроды со стержнем из стали, содержащей .25% Сг-и 20% Ni: Они установили, что лучшей термической обработкой является закалка с отпуском. Было установлено также, что трубы из низколегированной стали, раскисленной алюминием, пригодны для эксплуатации при тем­ пературе —46° С, а из стали с содержанием 3,5% Ni при темпера­ туре— 10ГС.

ХуммиЩн и Киллинг (ФРГ) рекомендуют сваривать мелкозер­ нистую сталь с пределом прочности 50—65 кГ/мм2 электродами с покрытием на основе мрамор — плавиковый шпат, которые наряду

сповышенным содержанием марганца обеспечивают введение в

наплавленный металл 0,40% Мо. Сварные соединения, полученные этими электродами имеют порог хладноломкости ниже — 60° С. Ста­ ли, предназначенные для производства холодильных установок, сва­ ривают, в зависимости от температуры эксплуатации, электродами

стем же покрытием, но дающими аустенитный, мартенситный или нелегированный наплавленный металл.

Вначале пятидесятых годов в США при сварке в среде инерт­ ных газов деталей для изделий военной промышленности из мар­ ганцовистомолибденовых сталей, был разработан особый электрод­ ный материал, обеспечивающий высокую сопротивляемость удару при низких температурах.

Международная никелевая компания (США) разработала спе­ циальную электродную проволоку на основе никеля и кобальта для сварки никелевых сталей с содержанием 9% Ni. Сварные кон­ струкции, выполненные этими электродами работают при темпера­ турах до — 120° С. Применение этих электродов обеспечивает ус­

пешную работу сварных швов также при повышенных температу­ рах .и в условиях корродирующей среды.

Опыт сооружения мостов, а также практика сварки на судо­ строительных верфях в Германии подтверждают, что влияние низ­ кой температуры меньше, чем влаги, конденсирующейся на поверх­ ности свариваемых деталей или содержащейся в атмосфере, в по­ крытии электродов и во флюсе.

Институтом сварки в Братиславе (ЧССР) определялась ударная вязкость различных зон стальных сварных соединений, полученных автоматической сваркой под флюсом при температуре —30° С; ока­ залось, что понижение ударной вязкости в зоне термического влия­ ния составляет не более чем 35%. Опасность образования трещин при сварке на морозе может быть устранена применением электро­ дов, которые дают наплавленный металл, обладающий высокими

143

величинами ударной вязкости, или местной термической обработкой в виде предварительного и последующего подогрева. Учитывая от­ рицательное влияние влаги, следует рекомендовать перед сваркой просушку и прокаливание флюсов и электродов, а газовую сварку под дождем не производить вообще. Установлено, что наиболее чув­ ствительным к поглощению влаги является покрытие основного ти­ па, содержащее мрамор — плавиковый шпат (СаБг).

Несмотря на то, что в настоящее время имеются электроды, которые можно применять для сварки на морозе, все же задачу разработки качественных электродов для сварки при низких тем­ пературах нельзя считать решенной до конца; в этом направлении необходимо постоянно продолжать научно-исследовательскую ра­ боту.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ПОДОГРЕВ

Влияние подогрева на свойства сварных соединений. Местный дополнительный подогрев свариваемых деталей производится с целью: регулирования структурных изменений в металле шва и околошовной зоны в процессе сварки самозакаливающихся сталей; предотвращения этим образования трещин в сварном соединении в процессе сварки и охлаждения; снижения внутренних напряжений путем низкотемпературного нагрева околошовной зоны; отпуска металла шва и околошовной зоны легированных сталей; местного отжига и нормализации для снятия напряжений и т. д. Как пра­ вило, предварительным подогревом пользуются при сварке легиро­ ванной стали, а также при дуговой сварке массивных конструкций из малоуглеродистой стали.

Практика показывает, что в процессе электросварки при низких температурах и при последующем охлаждении в сварном соедине­ нии возникают трещины. Количество последних может быть значи­ тельно уменьшено, если сварку производить при определенном тем­ пературном режиме, который достигается подогревом перед сваркой и в некоторых случаях после сварки (для медленного охлаждения).

Применение предварительного подогрева во время сварки при низких температурах является одним из эффективных способов по­ вышения сопротивляемости сварного соединения образованию горя­ чих трещин и пластических и вязких свойств металла шва.

Подогрев применяют также для сварки при низких температу­

рах в жестком контуре, когда имеются препятствия протеканию де­ формаций металла.

Благодаря подогреву со свариваемых кромок деталей удаля­ ются снег, влага и ржавчина, что предупреждает образование пори­ стости металла шва.

Подогрев малоуглеродистой стали осуществляется сравнительно просто. При сварке же легированных сталей возникает опасность закалки. Поэтому режим подогрева может быть различным в каж­ дом конкретном случае. С целью уменьшения скорости охлаждения

144

в ряде случаев необходимо применять, кроме предварительного по­ догрева, также подогрев после сварки или укрывать (отеплять) детали сразу после сварки.

.Для проверки температуры подогрева пользуются термокраска­ ми, которые меняют свой обычный цвет по достижении заданной температуры. Так как термокраски обладают свойством обратимо­ сти, то при охлаждении они приобретают свой первоначальный цвет, что дает .возможность сварщику легко определить, не понизи­ лась ли температура свариваемых деталей ниже допускаемой. Крас­ ка полосой наносится на свариваемые детали параллельно шву на определенном от него расстоянии. По изменению цвета краски определяют окончание подогрева перед сваркой.

Регламенты и рекомендации по применению подогрева. Согласно «Временной инструкции по организации строительства магистраль­ ных трубопроводов в зимних условиях» Госгортехнадзора наимень­ шая температура окружающего воздуха, при которой разрешается сварка труб без предварительного подогрева в зависимости от мар­ ки стали устанавливается следующая:

Малоуглеродистые стали марок МСт. 2 и 1 0 ........................		—30ЭС
Малоуглеродистая сталь марки МСт.	4* ................................—20° С
Низколегированные стали марок МК,	14ХГС и 19Г*	. . . —25° С

Сварка труб из легированных сталей марок 12Х5МА и ЗОХМА, подвергающихся закалке на воздухе, при отрицательных темпера­ турах без подогрева запрещена.

Опасность хрупкого разрушения сварных конструкций при низ­ ких температурах заставила ряд организаций разрабатывать реко­ мендации применения местного подогрева перед сваркой.

Исследования, проведенные М. П. Анучкиным во ВНИИСТе, дали возможность значительно понизить температуру, при которой сварка конструкций на морозе может производиться без подогрева.

Согласно измененным техническим условиям допускается свар­ ка без подогрева решетчатых,и сплошных конструкций при толщи­ не до 30 мм при любых низких температурах электродами типов Э42 и Э42А. При толщине металла более 30 мм и окружающей тем­ пературе, равной —10° С и ниже, необходим подогрев свариваемых кромок до 100—120° С на ширину 150 мм с каждой стороны. Тем­ пература сварки без подогрева может быть снижена до —20° С при применении электродов с основным покрытием и увеличением по­ гонной энергии на 4—5% на каждые 10°С понижения температуры. Допускается сварка листовых объемных конструкций при толщине до 16 мм.(включительно), без подогрева при температуре до —20°С

апри более низких температурах необходим подогрев до

100—120° С. При толщине стали 17—30 мм подогрев необходим при

* Сварка низколегированной стали марки МК	и малоуглеродистой		стали
марки МСт. 4 без подогрева может быть до —30° С	при применении электродов
с основным покрытием и увеличении погонной энергии на 4—5%^		на	каждые
10° С понижения температуры по сравнению с температурой, равной		+15,	+20° С.

10 Зак. 737

145

температурах ниже —10° С, а при толщине свыше 30 мм при темпе­ ратурах ниже 0°С. Температура предварительного подогрева опре­ деляется главным образом в зависимости от классификации стали. Так, например, для малоуглеродистых и низколегированных сталей она составляет 150—250° С, для легированных сталей подогрев по­ вышают до 300—350° С.

Зона обогрева определяется в зависимости от конкретно свари­ ваемой конструкции. Например, подогрев концов труб, подвергаю­ щихся сварке, производят на ширину 200 мм участка, прилегающего

кстыку.

ВМВТУ им. Баумана было проведено исследование процессов

образования горячих трещин при сварке малоуглеродистых и леги­ рованных сталей в условиях низких температур. Установлено, что при предварительном подогреве концов труб опасность образования горячих трещин уменьшается. Для каждой стали существует опти-. мальная температура подогрева, при которой возможность обра­ зования горячих трещин исключается. Например, оптимальной тем­ пературой подогрева для стыкового соединения из стали .марки ЗОХГСА является температура 250—300° С, а из стали марки 50— около 200°С. Оптимальная температура для сварки крестообразно­

го соединения стали марки 15К оказалась					150—250° С, для			стали
марки	50 температура	100—200° С,		для		специальной		стали
300—400° С.		отмечая положительное					влияние	подогрева
С.	А. Островская,
при сварке малоуглеродистой стали, указывает, что температура,
должна колебаться в пределах			150—300° С.
Приспособления для подогрева. Подогрев металла можно осу­
ществить двумя различными способами — непосредственным								и ин­
дукционным нагревом. Непосредственный					нагрев		осуществляется
с помощью угольных жаровен,			газовых	горелок,			электрических
нагревательных сопротивлений, паяльных ламп и т. д. Основным
недостатком его является медленность и неравномерность нагрева,
а также возможность науглероживания шва.
Очевидные преимущества индукционного нагрева способствуют
широкому распространению этого способа.						с трестом «Урал-
Уральским филиалом АН СССР совместно
стальконструкция» разработан			плоский индукционный подогрева­

тель типа ИНА-9 (фиг. 47), обеспечивающий подогрев металла пе­ ред сваркой токами промышленной частоты 50 гц. Индуктор пред­ ставляет собой трансформатор с незамкнутым сердечником.

Для осуществления операции нагрева аппарат накладывают по­ люсами электромагнита на стальной лист, затем включают ток и производят нагрев.

Основное отличие индукционного аппарата, разработанного в УФАН, от аналогичных аппаратов заключается в применении высо­ ких скоростей нагрева. Благодаря этому уменьшаются потери в окружающую среду, тем самым увеличивается к. п. д. Кроме того, с увеличением скорости нагрева увеличивается производительность

146

ных соединений из толстой стали без дополнительных операций термической обработки или предварительного подогрева.

Проверка пластичности сварного элемента стержневого типа из толстой стали марки МСт. 3 при низких температурах и при нали­ чии непровара, расположенного поперек силового потока (испы­ тания производились с использованием особого образца с состав­ ной стенкой), показала, что сварные соединения сохраняют высо­ кую пластичность при низких температурах даже при наличии в них непроваров.

Другим, не менее эффективным, способом повышения пластич­ ности сварных соединений из толстолистовой стали является раз­ работанный и широко проверенный в промышленности метод двух­ слойной каскадной автоматической сварки одной дугой. Положи­ тельное влияние каскадной сварки на пластичность сварных со­ единений основывается на взаимной термической обработке слоев.

Для каскадной сварки был предложен следующий режим, обес­ печивающий нормальное формирование шва и легкое возбуждение дуги (ток 350 а, напряжение 36—38 в, скорость сварки 15 м/ч, диа­ метр электрода 2 мм). Это относится к полуавтоматической сварке при шаге, равном 100 мм. Приводимые в табл. 22 данные ударной вязкости при низких температурах дают возможность сделать вы­ вод о том, что металл двухслойного шва, полученного каскадным методом на толстой стали, практически равноценен металлу двух­ слойного шва, полученного двумя дугами, и превосходит по своим свойствам металл, полученный при однодуговой сварке:

Оба указанных метода (двухдуговой двухслойный и каскадный) автоматической и полуавтоматической сварки можно с успехом применять для повышения пластичности толстолистовой малоугле­ родистой и низколегированной сталей.

Следует указать также на положительное влияние вибрации при сварке. Общеизвестна зависимость механических свойств от струк­ туры металла сварного шва. Наиболее благоприятной является мелкозернистая структура с равномерным распределением ее со­ ставляющих, получение которой при существующих способах свар­ ки сильно затруднено, так как металл сварного шва кристаллизует­ ся в условиях, способствующих образованию литой дендритной структуры. Оказалось, что, используя упругие колебания, можно повлиять на процессы кристаллизации металла сварного шва в нужном направлении и получить более высокие показатели меха­ нических характеристик сварного соединения.

Исследование влияния вибрации, на свойства, металла сварного шва были проведены [148] В. Л. Руссо на образцах из низколегиро­ ванной хромоникельмолибденовой стали марки 12ХНМА. Пласти­ ны из указанной стали с Х-образной подготовкой кромок толщиной 32 мм сваривались в несколько слоев вручную электродами типа Э70 диаметром 5 мм при силе тока 300—320 а.- С целью получения наибольшего объема сварочной ванны сварка осуществлялась без охлаждения металла шва после наложения каждого слоя, что поз-

150