Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Технологияэлектрическойсваркиметаллов и сплавовплавлением
Под редакциейакадемикаБ. Е. ПАТОНА
Москва«МАШИНОСТРОЕНИЕ»1974
6П4.3
Т38
УДК 621.791.7
Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад Б. Е. Патона М., «Машиностроение», 1974. 768 с.
В книге приведены классификация сварочных процессов и сравнительная характеристика различных способов сварки. Рассмотрены вопросы свариваемости основного металла и причины возникновения дефектов в сварных соединениях. Даны сведения о сварочных материалах, оборудовании и режимах, применяемых при сварке и наплавке разнообразных конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей, легких металлов и сплавов Даны сведения о способах неразрушающего контроля качества сварных соединений
Книга предназначена для научных и инженернотехнических работников предприятий и научио-иссле- довательских организаций 171 табл.; 442 ил.; список лит 35 назв.
„ 31206-060
Т 038 (01)-74 06°-74
© Издательство «Машиностроение», 1974 Г.
В предлагаемой вниманию читателей книге рассмотрен один из наиболее актуальных вопросов сварочной науки и техники — технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением.
В работе над книгой участвовало более тридцати специалистов, что обусловлено широким кругом рассматриваемых вопросов.
Книгу подготовили сотрудники Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР:
1-1, 1-2, 2-7 —2-8, 3-1—3-4, 5-1—5-6, 6-1, 6-6 и 12-3 канд. техн, наук С. А. Островская;
1-3 — акад. Б. Е. Патон;
2-1 —д-р техн, наук Г.И. Лесков;
2-2 и3-5 — д-р техн, наук Г.3.Волошкевич;
2-3 и3-6 — канд. техн,наукО.К.Назаренко;
2-4 и3-7 — канд. техн,наукВ.П.Гаращуки
инж. О. А. Величко;
2-5 — канд. техн, наук В. И. Махненко;
2-6 и 7-3 — член.-корр. АН УССР И. К. Походня и канд. техн, наук И. Р. Явдощин;
2-9, 6-5, 7-1, 7-4 и 7-5 — д-р техн, наук В. В. Под- гаецкий (часть § 7-4 «Флюсы для сварки высоколегированных сталей и сплавов» — акад. АН УССР Б. И. Медовар и канд. техн, наук Д. В. Чекотило;
4-1, 4-4—4-6 — д-р техн, наук А. Е. Аснис;
4-2 и 4-3 — д-р техн, наук А. Е. Аснис и канд. техн, наук С. А. Островская (часть § 4-3 «Определение стойкости металла против перехода в хрупкое состояние» — канд. техн, наук В. В. Шеверницкий);
3
6-2 и 6-4 — канд. техн, наук С. А. Островская и д-р техн, наук В. В. Подгаецкий;
6-3 и 10-3 — 10-7 — член.-корр. АН УССР А. М. Макара;
6-7 — канд. техн, наук Г. В. Жемчужников, инженеры Э. В. Котенко и А. В. Бабаев;
7-2 — член.-корр. АН УССР И. К. Походня и канд. техн, наук А. М. Суптель;
8-1 и 8-11 — акад. Б. Е. Патон и канд. техн, наук М. Г. Бельфор;
9-1, 9-2, 10-1 и 10-2 — канд. техн, наук С. Л. Мандел ьберг;
9-3 — канд. техн, наук Т. М. Слуцкая;
9-4 — д-р техн, наук Ю. А. Стеренбоген;
10-8—10-11 — акад. АН УССР Б. И. Медовар и канд. техн, наук Л. В. Чекотило;
10-12 — канд. техн, наук — Ю. Н. Готальский;
11-1 —11-8 — доктора техн, наук С. М. Гуревич и Д. М. Рабкин;
12-1 — акад. АН УССР К- К. Хренов;
12-2 — канд. техн, наук — В. Ф. Лапчинский;
13-1—13-5 — канд. техн, наук Ю. А. Юзвенко;
14-1—14-3 — инж. В. А. Цечаль.
Введение
Сварка —■ один из наиболее широко распространенных технологических процессов. К сварке относятся собственно сварка, наплавка, сваркопайка, сварка, склеивание, пайка, напыление и некоторые другие операции.
С помощью сварки соединяют между собой различные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы, пластмассы, стекла и разнородные материалы. Основное применение находит сварка металлов и их сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий, машин и механизмов, создании двухслойных материалов. Сваривать можно металлы любой толщины. Прочность сварного соединения в большинстве случаев не уступает прочности целого металла.
Сварку можно выполнять на земле и под водой в любых пространственных положениях. Возможность выполнения сварки в космосе была доказана советскими летчиками-космонавтами Т. С. Шониным и В. Н. Кубасовым. На борту космического корабля «Союз-6» они впервые осуществили сварку коррозионностойкой стали и титанового сплава в условиях космического вакуума и невесомости.
Соединение при сварке достигается за счет возникновения атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых тел. Сближению атомов мешают неровности поверхностей в местах, где намечено осуществить соединение деталей, и наличие на них загрязнений в виде окислов, органических пленок и адсорбированных газов.
В зависимости от методов, примененных для устранения причин, мешающих достижению прочного соединения, все существующие разновидности сварки (а их насчитывается около 70) можно отнести
5
к трем основным группам —■ сварка давлением (сварка в твердом состоянии), сварка плавлением (сварка в жидком состоянии) и сварка плавлением и давлением (сварка в жидкотвердом состоянии).
При сварке плавлением соединение деталей достигается путем локального расплавления металла свариваемых элементов — основного металла — по кромкам в месте их соприкосновения или основного и дополнительного металлов и смачивания твердого металла жидким. Расплавленный основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно (спонтанно) без приложения внешнего усилия сливаются, образуя общую так называемую сварочную ванну. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание—кристаллизация металла сварочной ванны и формирование шва, соединяющего детали в одно целое. Металл шва при всех видах сварки плавлением имеет литую структуру.
Для расплавления металла используют мощные источники нагрева. В зависимости от характера источника теплоты различают электрическую и химическую сварку плавлением: при электрической сварке начальным источником теплоты служит электрический ток, при химической в качестве источника теплоты используют экзотермическую реакцию горения газов (газовая сварка) или порошкообразной горючей смеси (термитная сварка).
В данной книге освещены вопросы, касающиеся только электрической сварки плавлением металлов и их сплавов.
Впервые мысль о возможности практического применения «электрических искр» для плавления металлов высказал в 1753 г. академик Российской Академии наук Г. Р. Рихман, выполнивший ряд исследований атмосферного электричества. Практической проверке такого мнения способствовало создание итальянским ученым А. Вольта гальванического элемента (вольтова столба). В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В. В. Петров, используя мощный гальванический элемент, открыл явление электрической дуги. Он также указал возможные области ее практического применения. Независимо от В. В. Петрова, но несколько позже (1809 г.), электрическую дугу получил английский физик Г. Деви.
Для практического осуществления электрической сварки металлов потребовались многие годы совместных усилий физиков и техников, направленных на создание электрических генераторов. Важную роль сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества. '
Первые электромагнитные генераторы были созданы в 70-х годах XIX в. До этого имели место лишь отдельные попытки осуществления электрической сварки металлов с помощью гальванических элементов. Так, в 1849 г. американец К. Стэт получил английский патент на соединение металлов с помощью
6
электричества. Однако этот патент не был реализован на практике. Глубокая разработка вопросов электрической сварки металлов началась позже.
В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил способ прочного соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока. Он практически осуществил способы сварки и резки металлов электрической дугой угольным электродом. Ему также принадлежит много других важных изобретений в области сварки (спиральношовные трубы, порошковая проволока и др.). Электрическая дуговая сварка получила дальнейшее развитие в работах Н. Г. Славянова. В способе Н. Г. Славянова (1888 г.) в отличие от способа Н. Н. Бенар- доса металлический стержень одновременно является и электродом, и присадочным металлом. Н. Г. Славянов разработал технологические и металлургические основы электродуговой сварки. Он применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздуха, предложил способы наплавки и горячей сварки чугуна, организовал первый в мире электросварочный цех. Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов положили начало автоматизации сварочных процессов, создав первые устройства для механизированной подачи электрода в дугу.
Дальнейшее развитие электрической дуговой сварки несколько замедлилось в связи с конкуренцией газовой сварки кислородно- ацетиленовым пламенем. В начале XX в. этот способ обеспечивал более высокое качество сварных швов, чем дуговая сварка голым электродом.
Положение изменилось, когда в 1907 г. шведский инженер О. Кьельберг применил металлические электроды с нанесенным на их поверхность покрытием. Это покрытие предохраняло металл шва от вредного воздействия воздуха (окисления и азотирования) и стабилизировало горение дуги. Применение покрытых электродов обеспечило резкое повышение качества сварных соединений. Ручная электродуговая сварка плавящимся электродом начала широко применяться на заводах США, Англии, Австро-Венгрии и других стран.
Отсталая промышленность дореволюционной России так и не смогла в должном объеме использовать дуговую сварку. Промышленное применение этого вида сварки в нашей стране началось только после победы Великой Октябрьской социалистической революции. Уже в начале 20-х годов под руководством В. П. Вологдина были изготовлены сварные котлы, а несколько позже — суда и другие ответственные конструкции. В конце первой четверти XX в. ручная дуговая сварка плавящимся электродом стала основным способом сварки в нашей стране и во всем мире.
Все время развиваясь и совершенствуясь, ручная дуговая сварка не утратила своего ведущего положения и в настоящее время.
Освоена сварка специальных сталей, цветных и легких металлов и других материалов, и для этих условий достигнута рав- нопрочность сварного соединения с основным металлом.
Наряду с внедрением и совершенствованием ручной дуговой сварки во всех странах проведены работы по изысканию новых способов защиты зоны дуги от окружающего воздуха и по механизации основных сварочных операций. Уже в начале 20-х годов в различных странах были созданы специальные механизмы — автоматы для сварки и наплавки плавящимся электродом с наносимыми на их поверхность или вводимыми внутрь стержня специальными веществами или же с окружающей дугу газовой защитой.
Однако эти автоматы не получили промышленного применения, так как обеспечивали лишь небольшое повышение производительности труда по сравнению с ручной сваркой.
Новый этап в развитии механизированной дуговой сварки в нашей стране начался в конце 30-х годов, когда на основе идей, выдвинутых еще Н. Г. Славяновым, коллективом Института электросварки АН УССР под руководством академика АН УССР Евгения Оскаровича Патона был разработан новый способ сварки, получивший название — автоматическая сварка под флюсом. В середине 40-х годов сварка под флюсом была применена и для полуавтоматического процесса.
Сварка под флюсом за счет увеличения мощности сварочной дуги и надежной изоляции плавильного пространства от окружающего воздуха позволяет резко повысить производительность процесса, обеспечить стабильность качества сварного соединения, улучшить условия труда и получить значительную экономию материалов, электроэнергии и средств.
Высокое качество сварного соединения и равнопрочность его с основным металлом предопределяют применение сварки под флюсом при изготовлении конструкций и аппаратуры, работающих в условиях глубокого холода, высоких температур, сверхвысоких давлений, агрессивных жидких и газовых сред и нейтронного излучения. Способ используют для соединения большинства находящих промышленное применение металлов и сплавов.
Особенно широко сварка под флюсом применяется в Советском Союзе, который по техническому уровню развития и по глубине научной разработки основ этого способа сварки занимает ведущее положение. Возможности автоматической сварки под флюсом еще далеко не исчерпаны, и,можно ожидать дальнейшего ее развития и совершенствования.
Способ сварки под флюсом за рубежом впервые появился в США (фирма Линде). Пути развития этого способа в зарубежных странах несколько отличались от отечественных. Различие в основном заключалось в конструкциях сварочных установок и в применяемых сварочных материалах.
В конце 40-х годов получил промышленное применение способ дуговой сварки в защитных газах. Газ для защиты зоны сварки впервые использовал американский ученый А. Александер еще в 1928 г. Однако в те годы этот способ сварки не нашел серьезного промышленного применения из-за сложности получения защитных газов. Положение изменилось после того как для защиты были использованы пригодные для массового применения газы (гелий и аргон в США, углекислый газ в СССР) и различные смеси газов.
Сварку неплавящимся (угольным) электродом в углекислом газе впервые осуществил Н. Г. Остапенко. Затем усилиями коллективов ЦНИИТМАШа, Института электросварки им. Е. О. Патона и ряда промышленных предприятий был разработан способ дуговой сварки в углекислом газе плавящимся электродом.
Использование дешевых защитных газов, улучшение качества сварки и повышение производительности процесса обеспечили широкое применение этого способа главным образом при полуавтоматической сварке различных конструкций. Объем применения полуавтоматической сварки в защитных газах из года в год возрастает. Ее широко используют вместо ручной сварки покрытыми электродами и полуавтоматической сварки под флюсом. Для полуавтоматической сварки находят применение также порошковая и активированная проволоки, не требующие дополнительной защиты. Интенсивные работы ведутся по исследованию и промышленному применению разновидности дугового процесса — так называемой сварки сжатой (плазменной) дугой.
Серьезным достижением отечественной сварочной техники явилась разработка в 1949 г. принципиально нового вида электрической сварки плавлением, получившего название электро- шлаковой сварки. Электрошлаковая сварка разработана сотрудниками Института электросварки им. Е. О Патона в содружестве с работниками заводов тяжелого машиностроения. Разработка этого вида сварки позволила успешно решить весьма важные для дальнейшего развития промышленности вопросы качественной и производительной сварки металла практически неограниченной толщины и механизации сварки вертикальных швов.
На основе электрошлакового процесса в Советском Союзе создан новый способ рафинирования металла, получивший название электрошлакового переплава.
Развитие сварочной техники неразрывно связано с изысканием новых источников теплоты для плавления металла. Одним из таких источников является концентрированный поток электронов в вакууме, на основе которого в конце 50-х годов французскими учеными был создан новый вид сварки, получивший название электроннолучевого процесса. Электроннолучевая сварка находит достаточно широкое практическое применение при соединении тугоплавких химических активных металлов и сплавов и ряда специальных сталей.
В последнее десятилетие для сварки начали применять оптические квантовые генераторы —■ лазеры. В ближайшие годы можно ожидать дальнейших серьезных успехов в развитии и промышленном применении лучевых сварочных процессов.
Электрическая сварка плавлением достигла высокого уровня развития и стала ведущим технологическим процессом, позволяющим создавать рациональные конструкции для всех без исключения отраслей промышленности из любых практически применяющихся металлов и сплавов различной толщины. Технология электрической сварки плавлением строится на серьезной научной основе, использующей и обобщающей огромный опыт ученых, работников производства и научных коллективов — представителей различных стран и различных научных школ и направлений.
Большой вклад в развитие научных основ технологии электрической сварки металлов и сплавов плавлением внесли советские ученые в области сварки. К ним принадлежат созданный Е. О. Патоном коллектив Института электросварки им. Е. О. Патона, коллективы: МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИМЕТа им. А. А. Байкова, ЦНИИТМАШа, ВНИИАВТОГЕНМАШа, ленинградская школа сварщиков, а также многочисленные кафедры сварки технических вузов страны.
Значительные успехи, достигнутые в развитии электрической сварки плавлением в нашей стране, стали возможными благодаря огромному вниманию, которое Коммунистическая партия и Советское правительство уделяли и уделяют этому вопросу.
Общие сведения об электрической сварке плавлением
§ 1-1. Схема процесса сварки
Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных (сварных) соединений из металлов, их сплавов и других материалов (пластмасс, стекла) или разнородных материалов (стекла и металла и т. п.). В настоящей книге рассмотрены вопросы, касающиеся только сварки металлов и их сплавов.
Соединение, полученное при сварке, характеризуется непрерывной структурной связью и монолитностью строения, достигаемыми за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами сопрягаемых деталей. Для того чтобы произошла сварка, нужно сблизить соединяемые элементы на расстояние порядка величины атомного радиуса (10-8 см). При этом между поверхностными атомами твердых тел становится возможным межатомное взаимодействие и происходит сопровождаемое диффузией химическое взаимодействие.
Неразъемное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется сварным соединением. При сварке плавлением под сварным соединением понимают участок, включающий собственно шов, металл зоны термического влияния и основной металл, не претерпевший под влиянием сварки никаких изменений. Шов является литым сплавом основного и дополнительного металлов, а зона термического влияния представляет собой участок основного металла с измененными в результате сварки свойствами (рис. 1-1).
Сваркой плавлением можно соединять практически все используемые для изготовления конструкций металлы и сплавы любой толщины. Возможна сварка разнородных металлов и сплавов.
11
Рис. 1-1. Сварное соединение
/ — металл шва 2 — металл зоны термического влияния 3— основной металл
Рис. 1-2. Сварные швы
В процессе изготовления конструкции с использованием сварки плавлением источник теплоты в большинстве случаев передвигается вдоль свариваемого изделия, что позволяет сваривать объекты с неограниченными размерами. Сварку плавлением, в том числе и электрическую, ранее называли автогенной — самопроизвольной сваркой. Затем этот термин начал применяться для обозначения кислородно-ацетиленовой сварки. Сейчас он почти не применяется.
При сварке плавлением металл в месте сварки доводится до жидкого состояния. Локальное расплавление основного металла осуществляется по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться только за счет расплавления основного металла (рис 1-2, а) или за счет расплавления основного и дополнительного металлов (рис. 1-2, б). В практике преимущественное применение находит второй вариант. Расплавленные основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну, смачивающую оставшуюся твердой поверхность соединяемых элементов. При этом происходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молекулярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбированные газы, окислы и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой расплавленного металла.
По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание — кристаллизация. Начинается она от частично оплавленных зерен основного металла, что приводит к образованию общих кристаллитов. После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.
В процессе сварки наблюдаются испарение и окисление некоторых элементов, поглощение и растворение жидкой ванной газов. Происходят также изменения и в зоне термического влияния. Эти процессы обусловливают отличие металла шва и зоны терми-
12
ческого влияния от основного металла. При сварке возникают деформации конструкции и создается поле остаточных напряжений, что может нарушить проектные ее размеры и форму и сказаться на прочности сварного соединения.
При сварке плавлением требуется локальный нагрев небольшого участка металла, окруженного со всех сторон значительным объемом холодного металла, до температуры, превосходящей температуру его плавления. Это приводит к необходимости использования для электрической сварки большинства металлов и сплавов источников нагрева, имеющих температуру не ниже 3000° С и тепловую мощность, достаточную для образования сварочной ванны.
При электрической сварке плавлением источником нагрева служит электрический ток. Наиболее широкое применение находит электродуговая, электрошлаковая и электроннолучевая сварка. В значительно меньшем объеме используется пока лазерная сварка. Однако масштабы ее применения с каждым годом увеличиваются.
При электрической дуговой сварке нагрев и плавление металла осуществляются энергией, выделяемой дуговым разрядом. При электрошлаковой сварке необходимая для сварки теплота получается при прохождении тока через шлаковую ванну, образуемую при расплавлении флюса. Нагрев и плавление металла при электроннолучевой сварке достигаются за счет интенсивной бомбардировки свариваемого металла быстродвижущимися электронами. При лазерной сварке необходимая для плавления металла теплота выделяется световым пучком, являющимся весьма концентрированным источником теплоты.
В настоящее время ведущее положение среди различных видов электрической сварки плавлением занимает электрическая дуговая сварка. Возможности этого вида сварки еще далеко не исчерпаны, и можно ожидать дальнейшего ее совершенствования и развития.
К сварке плавлением относится и наплавка металлов, нашедшая широкое применение в промышленности. Наплавкой называют процесс нанесения слоя металла на доведенную до расплавления поверхность изделия. Цель наплавки сводится к восстановлению размеров детали после износа, устранению дефектов литья, поковок и проката или созданию на поверхности детали слоя металла, обладающего особыми свойствами (стойкость против износа или коррозии, жаропрочность и др.). В дальнейшем при изложении общих вопросов под термином «сварка» мы будем понимать как собственно сварку, т. е. соединение отдельных деталей, так и наплавку.
Сварка — технологический процесс, широко применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых конструкций и механизмов. Преимущества сварных конструкций в настоящее время общепризнаны,
13
Такие конструкции повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кованых изделий. Эти преимущества сводятся к уменьшению расхода металла, снижению затрат труда, упрощению оборудования, сокращению сроков изготовления и увеличению съема продукции без увеличения производственных площадей. Значительно расширяются также возможности механизации основных технологических операций. Однако все преимущества сварки могут быть реализованы только при обеспечении необходимого качества сварных соединений, гарантирующих длительную и надежную работу их в условиях эксплуатации. Это достигается на основании глубокого изучения вопросов технологии сварки и установления связи ее с конструктивными формами и особенностями изготовляемой продукции.
§ 1-2. Краткая характеристика основных видов сварки
Электрическая дуговая сварка. При электрической дуговой сварке, или коротко-дуговой сварке, нагрев и плавление металла осуществляется дуговым разрядом, возникающим между электродами. Энергию, необходимую для образования и поддержания дугового разряда, получают от источников питания постоянного или переменного тока. Широкое практическое применение находит дуга прямого действия (рис. 1-3, а), горящая между свариваемым металлом и специальным стержнем-электродом. Для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах.
Значительно меньшее применение находит дуга косвенного действия, горящая между двумя стержнями-электродами. В этом случае для расплавления основного металла, который не включен в электрическую цепь, используется теплота, выделяемая при соприкосновении свариваемой поверхности со столбом (плазмой) дуги, и теплота, получаемая за счет излучения и конвекции. Сварку дугой косвенного действия можно выполнять как с присадочным металлом, так и без него. Ограниченное применение
Рис. 1-3. Сварочные дуги
дуги косвенного действия обусловлено ее меньшей эффективностью. Возможно использование комбинированной дуги, включенной в сварочную цепь по схеме, приведенной на рис. 1-3, б, или по трехфазной схеме (рис. 1-3, в). В этих случаях дуговой разряд возникает между электродами и между электродами и основным металлом.
Дуговую сварку можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродом. Сварку неплавящимся электродом осуществляют дугой прямого или косвенного действия. Шов образуется за счет плавления основного металла или основного и присадочного металлов. Материал электрода не участвует в образовании шва, к. п. д. дуги прямого действия достигает 0,3—0,4, к. п. д. дуги косвенного действия — 0,2—0,3.
При сварке угольным электродом питание дуги, как правило, осуществляется от источника постоянного тока при прямой полярности — электрод соединен с отрицательным, а основной металл с положительным полюсом (зажимом) источника питания. Сварка угольным электродом при обратной полярности (основной металл соединяется с отрицательным, а электрод—с положительным полюсом источника питания) не находит практического применения из-за перегрева электрода, а при сварке стали — также из-за значительного науглероживания металла шва. При сварке на прямой полярности науглероживание основного металла не наблюдается. Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе при прямой полярности или на переменном токе с обязательной защитой области дуги инертным газом, предохраняющим электрод от окисления.
При сварке плавящимся электродом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем заданного химического состава, подаваемым в зону дуги по мере плавления. В состав шва входит расплавленный основной металл и металл плавящегося электрода — электродный металл, а в некоторых случаях еще и присадочный металл.
В качестве плавящегося электрода используют сварочную (электродную) проволоку круглого сечения, порошковую проволоку, электродную ленту и специальные электроды более сложной формы. Питание дуги осуществляется от источника переменного или постоянного тока при прямой либо обратной полярности. В некоторых случаях (например, при сварке на больших скоростях несколькими дугами) применяют комбинированное питание от источников постоянного и переменного тока.
В зависимости от числа электродов различают сварку одним, двумя и тремя электродами. Возможна сварка и большим числом электродов. Сварку, при которой все электроды подсоединены к одному полюсу источника питания, называют двухэлектродной (многоэлектродиой) сваркой, или сваркой сдвоенным (строенным) электродом. Если каждый из электродов получает независимое питание, процесс называют двухдуговым (многодуговым).
Сварка дугой прямого действия плавящимся электродом является основным видом электрической сварки плавлением, к. п. д. дуги при этом способе достигает 0,7—0,9.
Сварку плавящимся электродом дугой прямого действия можно осуществлять без присадочного металла (рис. 1-4, а) или с присадочным металлом. Присадочный металл подают в зону сварки вручную или механизмом в виде проволоки, ленты и т. п. (рис. 1-4, б) или вводят в разделку (зазор) между свариваемыми кромками (рис. 1-4, в) в виде прутка, порошка, крошки, стружки, окатышей и т. п.
Процесс сварки состоит из ряда последовательных операций, в результате которых формируется шов. К этим операциям относятся возбуждение и поддержание дугового разряда, манипуляция электродом для придания шву нужной формы и для направления электрода по оси соединения, перемещение дуги вдоль свариваемых кромок по мере формирования шва заданного сечения, прекращение процесса. В зависимости от того, производятся ли указанные операции вручную или при помощи механизмов, различают ручную полуавтоматическую и автоматическую сварку.
При ручной сварке все операции, необходимые для образования шва, выполняют вручную без применения механизмов; электродами длиной 250—450 мм —■ сварка плавящимся электродом, или 200—300 мм — сварка неплавящимся электродом. Для подвода тока к электроду служит специальный держатель. В процессе сварки держатель находится в руке сварщика.
При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механизирована операция подачи электрода в зону дуги, для чего служит специальный подающий механизм. Манипуляции электродом, выполняемые для поддержания заданного режима, придания шву нужной формы и перемещения дуги вдоль свариваемых кромок, осуществляют вручную или при помощи простейшего механизма, приводимого в движение от руки. Сварку про-
Рис. 1-4. Сварка дугой прямого действия плавящимся электродом:
а — без присадочного металла, б — с присадочным металлом, подаваемым в зону дуги в процессе сварки; е — С присадочным металлом, вводимым между свариваемыми кромками
изводят сварочной проволокой сплошного сечения или порошковой проволокой, подаваемыми из кассеты или непосредственно из бухты. Для подвода тока к электроду служит держатель. Сварочная проволока от подающего механизма к держателю в большинстве случаев поступает по гибкому шлангу. Поэтому полуавтоматическую сварку иногда называют шланговой.
При автоматической сварке операции по возбуждению и поддержанию дугового разряда осуществляются сварочной головкой, а перемещение дуги (по мере отложения шва заданного сечения) вдоль свариваемых кромок — сварочной тележкой. Рабочий не принимает непосредственного участия в образовании шва, а управляет процессом сварки при помощи вспомогательных устройств (пульт управления, корректор). Автоматическая сварка является не полностью автоматизированным, а лишь механизированным процессом. Однако термин «автоматическая» (и полуавтоматическая) сварка общепринят в отечественной и иностранной литературе.
Автоматическую сварку плавящимся электродом ведут в большинстве случаев сварочной проволокой сплошного сечения диаметром 1—6 мм. Проволока так же, как и при полуавтоматической сварке, подается из специальной кассеты или из бухты. Возможно применение порошковой проволоки и ленты. При автоматической сварке обеспечивается постоянство режима сварки (сила тока, напряжение, скорость сварки и др.), что обусловливает однородность качества шва по всей его длине. Автоматическая сварка обладает меньшей мобильностью, чем полуавтоматическая и ручная сварка, требует наличия специального оборудования и большей точности подготовки и сборки деталей под сварку, так как возможности изменения режима сварки на ходу в зависимости от колебания величины зазора, угла разделки кромок и т. п. весьма ограничены.
При сварке неплавящимся электродом из-за малого расхода электрода в процессе сварки нет необходимости в механизации операции его подачи в зону дуги. Эту операцию легко осуществляют вручную. При полуавтоматической сварке механизирована только операция передвижения дуги вдоль свариваемых кромок.
При дуговой сварке происходит энергичное взаимодействие находящегося в расплавленном состоянии металла сварочной ванны с кислородом и азотом воздуха, что приводит к изменению химического состава и ухудшению механических, коррозионных и других свойств металла шва. Поэтому возникает необходимость в защите зоны сварки от окружающего воздуха. Применявшаяся в первые годы развития сварочной техники сварка голым электродом и электродом со стабилизирующим покрытием сейчас используется в весьма ограниченном объеме и в книге не рассмотрена.
Широкое применение находит защита зоны сварки при помощи специального состава, наносимого на поверхность элек-
2 Заказ № 782 17
Рис. 1-5. Электроды со специальным составом, наносимым на поверхность электродного стержня (а) или размещенным внутри специального полого электродного стержня (б и в)Рис. 1-5. Электроды со специальным составом, наносимым на поверхность электродного стержня (а) или размещенным внутри специального полого электродного стержня (б и в)
Рис. 1-5. Электроды со специальным составом, наносимым на поверхность электродного стержня (а) или размещенным внутри специального полого электродного стержня (б и в)
Рис. 1-5. Электроды со специальным составом, наносимым на поверхность электродного стержня (а) или размещенным внутри специального полого электродного стержня (б и в)
тродной проволоки (покрытый электрод) (рис. 1-5, а) или вводимого внутрь полого или имеющего специальную форму электрода (рис. 1-5, б и 6). Последний называют порошковой проволокой. Роль покрытия сводится к защите зоны сварки от воздействия
окружающего воздуха, легированию металла шва полезными элементами (а иногда и удалению из сварочной ванны вредных примесей) и к стабилизации дугового разряда.
При сварке покрытым электродом расплавляющееся по мере плавления стержня 1 покрытие 2 в зависимости от состава образует газовую или газошлаковую защиту 3, изолирующую зону дуги и сварочную ванну от атмосферного воздуха (рис. 1-6). По мере удаления дуги происходит остывание и кристаллизация металла сварочной ванны 4 и формирование шва 5. Расплавив
шееся покрытие всплывает на поверхность и после остывания образует шлаковую корку 6.
Как правило, покрытие наносят на электрод до сварки. При ручной сварке для обеспечения возможности подвода тока к электродному стержню на один из его концов на длине 20— 35 мм покрытие не наносят. Покрытая электродная проволока для автоматической сварки имеет специальную конструкцию, обеспечивающую возможность подвода к ней тока.
Широкое применение при автоматическом процессе находит
защита зоны сварки гранулированным покрытием — флюсом
(рис 1-7). При этом способе флюс 1 подается в зону дуги отдельно от голой электродной проволоки 2. Флюс создает главным образом шлаковую защиту. Дуга горит между электродом и основным металлом в пузыре 3, образованном папами и газами, выделяемыми
Рис. 1-6. Сварка покрытым электродом Направление сварки указано стрелкой
Рис. 1-7. Сварка под флюсом Направление сварки указано стрелкой
В столбе дуги. Столб дуги со' всех сторонокружен слоем флюса толщиной 30—50 мм. Под воздействием выделяемой дугой теплоты плавятся кромки свариваемого металла, электродная проволока и часть флюса, примыкающая к зоне дуги, и образуется сварочная ванна 4. По мере удаления дуги происходит кристаллизация сварочной ванны и формирование шва 5, соединяющего воедино свариваемые детали. Расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны и при остывании образует шлаковую корку 6, легко отделяющуюся от шва. Нерасплавившаяся часть флюса может быть использована повторно. Расход флюса по массе примерно равен расходу электродной проволоки.
При сварке плавящимся электродом роль флюса в основном сводится к защите сварочной ванны и к обеспечению надлежащего качества металла шва. Защита зоны дуги флюсом применяется и при полуавтоматическом процессе.
При сварке с газовой защитой (рис. 1-8) зона сварки окружена газом 1, подаваемым под небольшим избыточным давлением из сопла 2, обычно расположенного концентрично электроду. Га
зовая защита применяется при сварке плавящимся и неплавя- щимся электродом. Роль газа сводится в основном к физической изоляции сварочной ванны от окружающего воздуха. В качестве защитной среды служат инертные и активные газы и их смеси.
Дуговую сварку в защитных газах иногда называют газоэлектрической, однако этот термин не отражает сущности происходящих явлений. Газоэлектрическим может быть назван способ, при котором теплота для плавления металла получается не
только за счет дугового разряда , но и за счет химических реакций или других процессов, происходящих в газовой фазе. При сварке в защитных газах часть теплоты, выделяемой за
Рис. 1-8. Сварка в защитных газах Направление сварки указано стрелкой
Рис. 1-9. Сварка с контролируемой атмосферой:
/ — приспособление для перемещения свариваемой детали;
2 — труба для подсоединения воздушного насоса, 3 — канал для подачи защитного газа;
4 — смотровое окно
счет химических реакций, в общем балансе теплоты весьма незначительна. Некоторое исключение представляют атомноводородная сварка, которая находит весьма ограниченное практическое применение, и сварка сжатой дугой.
Разновидностью сварки в за
щитных газах является сварка с контролируемой атмосферой (рис. 1-9). Сварка происходит в камере, где сначала создается вакуум, затем камера заполняется аргоном, гелием или смесью газов (создается контролируемая атмосфера). При этом обеспечивается более полная защита сварочной ванны. Этот метод применяют при дуговой сварке непла- вящимся электродом химически активных металлов и сплавов автоматом, полуавтоматом или вручную. В некоторых случаях сварку в вакууме ведут без создания специальной атмосферы. Принципиально возможна, но находит весьма ограниченное применение сварка с комбинированной защитой, при которой газ и покрытие наносят на поверхность электродной проволоки при помощи электромагнитных сил (магнитное покрытие) или вводят внутрь электрода до сварки либо в процессе ее. Сварку с комбинированной защитой можно использовать как при полуавтоматическом, так и при автоматическом процессе.
В последние годы находит применение полуавтоматическая сварка активированной проволокой сплошного сечения и порошковой проволокой без дополнительной защиты. В состав активированной проволоки вводят элементы-раскислители и элементы, связывающие азот в стойкие нитриды, оказывающие незначительное влияние на качество металла шва, имеющего ферритную структуру. В сердечник порошковой проволоки вводят железный порошок, нитридо- и шлакообразующие составляющие.
Разновидностью дуговой сварки является плазменная сварка (сварка сжатой дугой). При сварке столб дуги имеет более высокую температуру. Это обусловливается свойством дугового разряда, заключающимся в том, что при искусственном сжатии столба дуги и охлаждении его наружных слоев наблюдается повышение температуры. Сжатая дуга образуется в дуговом разряде, возникающем в узком канале.
Если дуговой разряд возникает между вольфрамовым или медным электродом и основным металлом, то такая дуга назы-
20
дается дугой прямого действия, иногда именуемой проникающей дугой (рис. 1-10, а). Если одним из электродов служит сопло (оно может конструктивно совпадать с каналом, в котором создается столб плазмы), то такая дуга называется дугой косвенного действия или плазменной струей (рис. 1-10, б). Струя плазмы в этом случае выделяется из столба дуги в виде факела.
Для образования сжатой дуги вдоль ее столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный газ (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород, окись углерода или другие газы и их смеси). Газ сжимает столб дуги, что приводит к повышению его температуры до 16 000° С при дуге косвенного действия и до 33 000° С при дуге прямого действия, и образует так называемую холодную плазменную струю. Сжатая дуга является весьма концентрированным источником теплоты (удельная мощность более 500 кВт/см2). Газ в столбе сжатой дуги характеризуется высокой степенью ионизации, при которой он обладает весьма значительной электропроводностью, приближающейся к электропроводности проводника (например металла).
Для защиты плавильного пространства от окружающего воздуха вокруг сжатой дуги подается дополнительный защитный газ (аргон, углекислый газ), а иногда флюс. Для получения сжатой дуги служат специальные устройства —■ плазмотроны.
Сжатую дугу используют также для резки металла и напыления.
Для сварки находит применение микроплазменный процесс, при котором нагрев металла осуществляется высокотемпературной тонкой струей — лучом плазмы, обеспечивающей весьма высокую концентрацию энергии.
Электрошлаковая сварка. При электрошлаковом процессе основная часть энергии, расходуемая на нагрев и плавление металла, обеспечивается за счет теплоты, выделяемой в замкнутом объеме расплавленного шлака — шлаковой ванне при прохождении через нее тока. Шлаковая ванна 1 образуется (наводится) путем расплавления флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла 2 и специальными охлаждаемыми водой приспособлениями—пол- , зунами 3, плотно прижатыми 2 к поверхности свариваемых де- ‘
Рис. 1-10. Сварка сжатой дугой:
а — Дуга прямого действия, б — дуга косвенного действия; у — охлаждаемое медное сопло,2 — вольфрамовый или медный электрод, 3 — столб Дуги
Рис. 1-11. Электрошлаковый процесс. Вертикальной стрелкой показано направление сварки, горизонтальной — направление перемещения -электрода в зазоре
талей (рис. 1-11). Флюс плавится дугой, возникающей в начальный период сварки между основным металлом и электродной проволокой. После расплавления определенного количества флюса дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет. Длина шлаковой ванны практически равна толщине основного металла, а ширина
определяется зазором между свариваемыми кромками. Глубину шлаковой ванны выбирают в зависимости от технологических условий (состава основного металла, режима сварки и др.).
Необходимая для осуществления шлакового процесса энергия доставляется от источника питания переменного или постоянного тока, подсоединяемого к основному металлу и плавящемуся электроду (электродам) 4, вводимому в зазор между свариваемыми кромками и погруженному в шлаковую ванну. Электрод располагают посередине шлаковой ванны или перемещают в зазоре от одной поверхности свариваемых деталей к другой. Ток к электроду подводится при помощи мундштука 5. Проходя через шлаковую ванну, ток нагревает ее до температуры, превосходящей температуру плавления основного и электродного металлов.
Шлак расплавляет кромки основного металла и электрод, который подается в шлаковую ванну со скоростью, равной скорости его плавления. Расплавленные электродный и основной металлы стекают на дно шлаковой ванны, образуя сварочную (металлическую) ванну 6. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание — кристаллизация металла сварочной ванны. Расплавленный шлак, находящийся над металлической ванной, достаточно надежно защищает металл от воздействия воздуха. По мере заполнения зазора между свариваемыми кромками мундштук при помощи специального привода передвигается вдоль свариваемого изделия.
Шлаковая ванна, наведенная в начале сварки данного шва, по мере его формирования перемещается от начала детали к ее концу. Для восполнения расхода шлака, затрачиваемого на образование корочки на поверхности шва и потери на испарение, в шлаковую ванну небольшими порциями добавляется флюс.
Электрошлаковую сварку, как правило, ведут при вертикальном положении изделий. Кромки расположены вертикально или под углом до 30° к вертикали.
Электрошлаковый процесс применяют для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей, специальных сталей, алюминия, титана и других металлов и сплавов. Возможна сварка металла практически неограниченной толщины.
В монтажных условиях часто возникает необходимость сварки вертикальных швов металла толщиной 10—12 мм. В этом случае из-за малого объема шлаковой ванны имеет место не шлаковый, а дуговой процесс. Этот процесс, получивший название дуговой сварки с принудительным формированием, в настоящее время находит ограниченное практическое применение. Дуговую сварку вертикальных швов с принудительным формированием выполняют также в защитных газах и порошковой проволокой. Оборудование и технология дуговой сварки с принудительным формированием мало отличаются от применяемых при электрошлаковой сварке.
Электроннолучевая сварка. При этом способе сварки для нагрева и расплавления основного металла используется энергия, получаемая в результате интенсивной бомбардировки его быстро- движущимися в вакууме электронами. При попадании на поверхность свариваемых деталей электроны тормозятся и происходит превращение кинетической энергии в тепловую (рис. 1-12). Свариваемая деталь 1, помещенная в специальную герметическую камеру 2, в которой откачивающие воздух насосы обеспечивают требуемый вакуум, при помощи механизма 3 передвигается со скоростью сварки. Сварка производится электронным лучом 4, представляющим собой сфокусированный поток электронов.
Комплекс устройств, служащих для формирования и фокусировки электронного луча, называют сварочной электронной пушкой. В процессе сварки кинетическая энергия электронов превращается в тепловую, которая расходуется на плавление кромок свариваемых деталей. По мере удаления источника нагрева происходит затвердевание сварочной ванны и образование шва. Металл шва, так же как и при других видах сварки плавлением, имеет литую структуру. Концентрация энергии электроннолучевой сварки очень высока, что обеспечивает получение узкого и глубокого шва и узкой околошовной зоны. Провар при этом виде сварки, как правило, имеет форму острого клина. Оператор, осуществляющий сварку в зависимости от размеров камеры, находится за ее пределами или в самой камере.
Лазерная сварка. В последнее время в сварочной практике находят применение оптические квантовые генераторы, так называемые лазеры. При лазерной сварке нагрев и плавление металла осуществляются мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей. Для управления сформированного излучателем луча служат специальные опти-
Рис. 1-12. Электроннолучевая сваркаРис. 1-12. Электроннолучевая сваркаРис. 1-13. Лазерная сварка:Рис. 1-13. Лазерная сварка:/ — источник питания;2 — лампа накачки;3— резонатор; 4 — луч лазера; 5— оптическая система, 6 — свариваемое изделие/ — источник питания;2 — лампа накачки;3— резонатор; 4 — луч лазера; 5— оптическая система, 6 — свариваемое изделие
Рис. 1-12. Электроннолучевая сварка
Рис. 1-12. Электроннолучевая сварка
Рис. 1-13. Лазерная сварка:
Рис. 1-13. Лазерная сварка:
/ — источник питания;
2 — лампа накачки;
3— резонатор; 4 — луч лазера; 5— оптическая система, 6 — свариваемое изделие
/ — источник питания;
2 — лампа накачки;
3— резонатор; 4 — луч лазера; 5— оптическая система, 6 — свариваемое изделие
ческие системы (рис. 1-13). Вакуум при сварке лазером не нужен, и сварка может осуществляться на воздухе даже на значительном расстоянии от генератора. Энергия, излучаемая лазерами, пока невелика и составляет от сотых долей до единиц джоулей. Коэффициент полезного действия лазеров также еще очень низок. Характерной является узкая и глубокая форма проплавления основного металла. Лазерная сварка может применяться в приборостроении и в специальных случаях.
Все существующие виды сварки плавлением имеют конечную цель — получение сварных соединений, обеспечивающих необходимую несущую способность сварной конструкции, ее длительную работу в условиях эксплуатации при минимальной затрате труда и средств. Очевидно, что рациональность использования того или иного вида сварки зависит от конкретных условий, и поэтому рекомендации по этому вопросу могут быть даны только для этих случаев (см. гл. 3).
§ 1-3. Тенденции развития и пути повышения производительности сварки плавлением
Существенное значение имеет прогнозирование развития сварочной науки и техники, сварочного производства на длительный период. Попытаемся оценить тенденции развития сварки плавлением на ближайшее десятилетие и наметить основные пути повышения производительности труда при этом виде сварки. Анализ современного состояния сварочного производства свидетельствует о том, что сварка плавлением занимает ведущие позиции во всех промышленно развитых странах. В дальнейшем
роЛь этого вида сварки будет уменьшаться вследствие интенсивного развития сварки в твердой фазе. Однако еще долгое время сварка плавлением будет оставаться основным видом сварки металлов. Постоянное стремление к повышению производительности и эффективности сварки плавлением проявилось в непрерывном повышении мощности источников сварочного нагрева и увеличении концентрации энергии в зоне плавления металла. Появление и развитие плазменно-дуговой и электроннолучевой сварки служит иллюстрацией к сказанному. Но радикальные изменения коснулись и классического способа — сварки электрической дугой.
Самый распространенный способ механизированной сварки сталей и сплавов под флюсом в ряде случаев уступает позиции сварке в углекислом газе. Абсолютные цифры, характеризующие объемы применения сварки под флюсом, правда, постоянно возрастают. Полуавтоматическая сварка в углекислом газе развивается поистине стремительно благодаря простоте и эффективности этого технологического процесса.
Применение порошковой проволоки открыло новые возможности перед способами сварки в защитных газах. Немаловажное значение имеет и тот факт, что сварочная дуга, горящая в потоке газов, вновь стала видимой. (Это звучит, может быть, парадоксально, но при всех преимуществах погруженной во флюс закрытой дуги проявляется и ее недостаток — затруднительность ведения дуги вдоль линии сварки, особенно при выполнении криволинейных швов). Упрощается и техника выполнения вертикальных и горизонтальных швов без принудительного формирования, совершенно необходимого при сварке под флюсом. Со сваркой в защитных газах в ряде случаев конкурирует сварка порошковой и сплошной проволокой незащищенной дугой. Это особенно важно для выполнения сварочных работ в полевых условиях. У процесса сварки порошковой проволокой большое будущее.
Однако возможности сплошной сварочной проволоки еще далеко не исчерпаны. В частности, использование редкоземельных элементов открыло большие перспективы создания новых композиций проволок для сварки в защитных газах и без дополнительной защиты дуги.
За истекшие годы, казалось бы, вполне устоялись наши представления о возможностях электрошлаковой сварки толстого металла. Немало было сделано в нашей стране и за рубежом, в частности в Великобритании, для устранения основного препятствия на пути этого прогрессивного способа сварки — необходимости нормализации сварного соединения. К сожалению, будучи довольно эффективными в применении к нелегированным сталям, все эти средства оказались недостаточными в случае легированных сталей, для которых неизбежное разупрочнение металла околошовной зоны требует восстановления его свойств высокотемпературной термообработкой.
Новое направление применения электрошлаковой сварки — укрупнение заготовок под ковку или прессование Если заготовка, сваренная электрошлаковым способом, подвергается ковке или прессованию, нет необходимости заботиться о снятии последствий перегрева в околошовной зоне или о нежелательных деформациях. Шов, полученный электрошлаковым способом, после деформирования становится совершенно неотличимым от свариваемого металла.
Прогресс, естественно, коснулся и сварки под флюсом —• повысились скорости и производительность процесса благодаря многоэлектродным аппаратам, комбинированию дуг постоянного и переменного тока, предварительному подогреву вылета электрода или присадочной проволоки, введению железного порошка в разделку или сварочный зазор. Замена проволочных электродов ленточными оказалась весьма эффективной при выполнении наплавочных, а иногда и сварочных работ. Есть ли будущее у сварки под флюсом в условиях конкуренции со сваркой в защитных газах? Несомненно, есть и в первую очередь при выполнении достаточно протяженных швов, в производстве наплавочных работ.
За истекшие годы в нашей стране и за рубежом достаточно большое развитие получила электроннолучевая сварка. Этим способом в первую очередь выполняют различные соединения тонкого металла в электронной промышленности, приборостроении, а также в авиа- и ракетостроении. Интенсивно ведутся работы по освоению электроннолучевой сварки сравнительно толстых трудносвариваемых сталей и сплавов. Дальнейшее развитие электроннолучевой сварки будет, по-видимому, идти по пути повышения ускоряющего напряжения (вплоть до 150 кВ) и увеличения единичной мощности электронных пушек (до 30— 50 кВт). Все большее внимание будет уделено сварке в форвакууме. Расширится применение различных накидных камер для создания местного вакуума. Будут разработаны подлинные станки- автоматы с использованием сварки электронным лучом.
Вместе с тем широкое распространение получат и установки с большими и сверхбольшими камерами, что обусловлено созданием и освоением промышленного выпуска надежных вакуумных насосов чрезвычайно высокой производительности. Таким образом, перспективы электроннолучевой сварки ■— сварка толстого металла в изделиях самого ответственного назначения: роторах турбин и генераторов, сосудах высокого давления и т. п.
В ближайшие годы целесообразно резко усилить исследования в области физики сварочной дуги, источников питания и управления. Здесь еще скрыты большие резервы и возможности, о чем убедительно свидетельствует опыт разработки и применения плазменно-дуговых источников нагрева.
Создание оборудования и технологии микроплазменной дуговой сварки тонкого металла является одним из важных достижений последних лет. За короткий срок наша промышленность
26
освоила около тысячи комплектов аппаратуры для этого способа, и спрос на нее неудержимо растет. Микроплазменная дуга успешно соединяет тонколистовую сталь, алюминиевые сплавы. Сварка микроплазмой вытесняет электроннолучевую при выполнении соединений металла толщиной 1 мм и менее. Однако пока еще не определились рациональные области распространения плазменнодуговой сварки с использованием достаточно мощных плазмотронов. Видимо, вскоре появятся способы рационального использования плазменной дуги с высокой концентрацией энергии.
Новый способ сварки когерентным световым лучом используется пока ограниченно, прежде всего в электронной промышленности Еще продолжаются поисковые работы по определению рациональных областей применения этого способа Однако интенсивное развитие исследований с целью создания все более мощных лазеров, импульсных и непрерывного действия, может в короткое время привести к совершенно новым решениям, к применению сварки световым лучом в достаточно прозаических, по нынешним представлениям, областях промышленности.
Истекшие годы характерны тем, что некоторые так называемые старые способы сварки плавлением получили в сегодняшних условиях вторую жизнь, так, например, гравитационная сварка, исключительно быстро получившая широкое распространение в Японии. Речь идет о сварке наклонным электродом методом А. Силина, предложенным в СССР еще в начале 30-х годов. Нечто подобное происходит и со сваркой лежачим электродом.
На новой ступени развития сварочного производства может найти применение и оказаться целесообразной так называемая многоголовочная сварка. На заре механизации наплавочных и сварочных работ предлагались аппараты и установки с несколькими головками, затем с появлением сварки под флюсом и резким повышением скорости перемещения дуги идея эта была в значительной степени забыта Теперь, когда трудно рассчитывать на дальнейшее существенное повышение скорости сварки под флюсом металлов средних толщин, следует вспомнить о многоголовочной сварке. Нетрудно увидеть, что разбив, например, продольный шов трубы длиной 12 м на четыре участка и поставив на каждом из них по аппарату, можно сварить трубу вчетверо скорее, чем это делается в настоящее время одним аппаратом.
Для реализации этого способа повышения производительности сварки требуется решить, по крайней мере, три задачи: синхронизации возбуждения равноудаленных дуг, точного направления по стыку нескольких дуг, стабилизации режима горения каждой из них и, наконец, бездефектного перекрытия каждой последующей дугой начальной части шва, выполненного предыдущей головкой, с надежной заваркой кратера. Возможно, в таких массовых отраслях промышленности, как трубная, судо- и вагоностроительная, резервуаростроение, многоголовочная сварка окажется в недалеком будущем достаточно эффективным средством
повышения производительности труда. В нашей стране разработаны новые типы высокопроизводительных и универсальных электродов; за истекшие 10 лет построены современные высокомеханизированные заводы, выпускающие ежегодно сотни тысяч тонн высококачественных электродов общего назначения; созданы и выпускаются промышленностью низкотоксичные электроды, обеспечивающие высокую производительность сварки. Качество швов, выполненных отечественными электродами общего назначения, существенно превышает требования международной классификации МИС.
Успехи в разработке и изготовлении электродов привели к тому, что по производительности ручная сварка зачастую не уступает полуавтоматической под флюсом и в углекислом газе. Создается положение, аналогичное существовавшему в 30-х годах перед разработкой способа сварки под флюсом, когда автоматическая сварка покрытой электродной проволокой в ряде случаев не могла конкурировать со сваркой штучными электродами.
Какой же выход, как добиться повышения эффективности механизированной сварки? Мы не видим путей резкого повышения производительности собственно полуавтоматической дуговой сварки. Поэтому нужно стремиться к расширению областей применения автоматов с тем, чтобы один сварщик мог обслуживать несколько постов. При этом скорость сварки каждым из аппаратов может быть равна скорости сварки штучными электродами. Суммарная же производительность труда будет выше, чем при ручной сварке, в число раз, равное числу обслуживаемых аппаратов. Такой путь вполне приемлем в судостроении и вагоностроении, сельскохозяйственном машиностроении, при заводском изготовлении некоторых строительных металлоконструкций, труб большого диаметра.
Наметившаяся еще до второй мировой войны тенденция механизации сварки стала основным направлением развития сварочного производства во всех индустриальных странах. Суммарный уровень механизации сварки в СССР достиг к 1971 г. 57,3% (по трудоемкости) и будет неуклонно повышаться дальше.
В предстоящем десятилетии огромное внимание будет уделено созданию новых специализированных аппаратов, установок, машин для сварки, собираемых из унифицированных, надежных, проверенных узлов. Известно, что квалифицированный сварщик, накладывая шов, выполняет сложный комплекс движений, управляя формой сварочной ванны и кристаллизацией сварного шва. Фактически из этих элементов манипулирования электродом в наших сварочных аппаратах реализованы только два —■ подача электрода в дугу и поступательное равномерное перемещение его вдоль стыка. Изредка осуществляется поперечное колебание конца электрода. Между тем современные достижения в области автоматического управления позволяют полностью воспроизводить весь цикл операций, выполняемых опытным сварщиком.
Над созданием таких аппаратов работают специалисты многих стран.
В последние годы удалось осуществить управление переносом металла в дуге посредством наложения периодических импульсов на сварочный ток. Но это только первый шаг. На очереди создание новых систем, которые позволят надежно управлять как переносом металла, так и формой шва, а в некоторых случаях и ходом физико-химических реакций в плавильной зоне. Все сказанное в равной мере относится к сварке под флюсом и в защитных газах. Следовательно, мы вправе ожидать появления аппаратов, которые смогут успешно решать задачу оптимизации всех операций, связанных с дуговой сваркой.
В Советском Союзе неизменно увеличивается производство сварных конструкций, а также увеличивается доля используемого для этого металла в общем объеме выплавки стали. Эта тенденция будет наблюдаться и в будущем. Все больше стали, алюминия, титана и их сплавов будет применяться в виде сварных конструкций из листов, труб, прокатных и гнутых профилей.
Нет сомнений, что значительная доля общего выпуска сварных конструкций по-прежнему будет приходиться на единичное производство. Позиции ручной дуговой сварки здесь очень прочны. Правда, за последние годы ее удалось немного потеснить с помощью полуавтоматов для сварки в защитных газах. Но далеко не всегда сравнение здесь в пользу полуавтомата. Только качественный скачок может в корне изменить сложившуюся ситуацию. Этот скачок станет возможным, если будет создан новый способ получения сварного соединения, основанный, вероятно, на использовании нового мощного концентрированного источника тепловой энергии, более эффективного, чем нынешняя сварочная дуга. В случае разработки такого способа будет решена задача существенного повышения производительности труда в единичном производстве, а также при выполнении строительно-монтажных работ в полевых условиях.
Говоря о перспективах развития сварочной техники на ближайшие годы, следует особо остановиться на ее применении в массовом и крупносерийном производстве. Здесь целесообразна возможно большая степень механизации и автоматизации не только собственно сварки, но и всего комплекса предшествующих и следующих непосредственно за ней технологических операций. Основная трудность в решении этой проблемы связана с отсутствием в настоящее время надежных замкнутых систем контроля качества сварных соединений.
Несмотря на известные достижения в создании физических методов неразрушающего контроля, все они еще остаются пассивными. Мы научились пользоваться автоматами для расшифровки рентгенограмм, что еще нельзя сказать об ультразвуковой дефектоскопии. Началось освоение статистических методов обработки результатов контроля. Все это хорошо, но уже недостаточно.
29
Нам нужно создать замкнутые системы контроля качества сварных соединений с обратными связями.
Процесс сварки металлов представляет собой далеко не простой объект для физического моделирования и построения математических моделей. Тем не менее необходимо не откладывать решение этой сложной задачи. Следовало бы начать с разработки соответствующих датчиков, способных накапливать необходимую информацию о данном технологическом процессе сварки. Проблема обработки этой информации и, возможно, оптимизации выдаваемых решений с использованием в ряде случаев электронных вычислительных устройств должна быть решена в недалеком будущем. Если удастся создать системы управления с обратными связями, обеспечивающие контроль за геометрическими размерами швов, за ходом физико-химических реакций, тепловых процессов и усадочных явлений в зоне сварки, будет сделан шаг вперед на пути дальнейшего прогресса сварочной техники.
В наплавочной технике достаточно высок уровень механизации, создана прогрессивная технология как электродуговой, так и электрошлаковой наплавки. В частности, замена проволочных электродов ленточными при наплавке под флюсом и электродами большого сечения при электрошлаковой наплавке способствовали значительному повышению производительности труда и качества наплавочных работ. Однако пока наплавка все еще используется преимущественно в ремонтном деле. Между тем имеются вполне реальные возможности создавать готовые изделия с поверхностным слоем, обладающим заданными свойствами, например, износостойкостью, сопротивляемостью воздействию коррозионных сред и т. д. Посредством наплавки следует изготовлять износостойкий биметалл, столь необходимый для сельскохозяйственного и дорожного машиностроения, производства металлургического оборудования и т. д.
Классические методы дуговой наплавки, несомненно, будут потеснены новыми, более производительными. Среди них следует упомянуть литейные методы, основанные на нанесении слоя жидкого металла заданного состава Весьма перспективным представляется новый метод нанесения армированного твердыми частицами слоя металла. Эффективными способами нанесения металла также являются намораживание из расплава, оплавление различных паст и покрытий с помощью плазменной дуги, электронного луча или индукционного нагрева.
Все сказанное отнюдь не уменьшает значение классических методов наплавки. Использование таких достижений электрошлаковой технологии, как переплав неподвижных электродов большого сечения, специальные подвижные формирующие кристаллизаторы, бифилярная схема подключения электродов, жидкий старт и т. п., открывает новые возможности повышения эффективности наплавочных работ, выполняемых электрошлако- вым способом.
Огромное внимание будет уделено сварке разнородных металлов. Сочетания соединяемых материалов значительно расширятся, все большие требования будут предъявляться к конструктивной прочности соединений. Появится необходимость выполнять соединения без так называемых переходников. Это существенно усложнит задачу.
Как это ни парадоксально, чистые стали оказались более капризными при сварке, чем загрязненные серой, фосфором и другими примесями. В связи с этим уже сейчас можно вполне определенно считать, что в недалеком будущем сварщикам и металлургам предстоит преодолеть немало трудностей, связанных с использованием в сварных конструкциях чистых сталей и сплавов. Но этот нелегкий труд окупится сторицей, ибо будет достигнута главная цель — надежность, долговечность сварных конструкций из рафинированных сталей возрастет во много раз!
Физико-металлургические процессы при сварке плавлением
Процессы, происходящие при сварке плавлением, достаточно сложны и имеют существенное значение, так как определяют качество сварного соединения. При этом виде сварки применяются различные источники теплоты, обладающие специфическими свойствами. Эги источники оказывают тепловое и химическое воздействие на основной и присадочный металлы, от чего зависят состав и свойства металла шва, а также структура околошовной зоны. В результате нагрева, осуществляемого этими источниками теплоты, металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва. В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого металла со шлаком и газом. Перечисленные процессы являются общими для всех способов сварки плавлением.
§2-1. Сварочная дуга
Сварочная дуга является электрическим разрядом в газах сравнительно высокого давления (не ниже 50 тор). Она характеризуется высокой плотностью тока в электропроводном газовом канале и низким напряжением между электродами. Электропроводность газа дуги обусловлена заряженными частицами — электронами и ионами, возникающими в результате его термической ионизации. Образующаяся смесь нейтральных атомов, электронов и ионов носит название плазмы.
В электрической дуге энергия источника ее питания преобразуется в кинетическую и потенциальную энергию частиц плазмы, которая, в свою очередь, передается электродам и частично превращается в электромагнитное излучение —■ фотоны, покидающие зону дуги.
Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или ци-
32
линдра. Его свойства на различных расстояниях от электродов не одинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от полярности электрода, к которому они примыкают, эти слои называются катодной и анодной областями дуги. По ориентировоч- ным'данным протяженность /к (толщина) катодной области'равна нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов, т. е. /к = 10" 4-н10"6 см. Анодная область приравнивается к длине свободного пробега электрона, имеющей порядок 1а = = 10" ®-М0" 4 см. Между приэлектродными областями располагается наиболее протяженная, высокотемпературная область разряда — столб дуги (рис. 2-1).
Напряжение дуги Пд распределяется между различными ее областями весьма неравномерно (рис. 2-1). Значительная часть его падает в приэлектродных областях, что указывает на высокую г-1MJ
напряженность электрического поля В =др в них. 1ак, в катодной области протяженностью /к = 10"6 см и падением напряжения U^ = 10—20 В напряженность поля достигает величины Ек = 2- 10е В/см. В анодной области она оценивается значением Еа = 104 В/см. Поэтому процессы, протекающие в приэлектродных областях, играют первостепенную роль в механизмах преобразования электрической энергии источников питания в тепловую и передачи ее электродам.
Рис. 2-1. Основные области дуги и распределение^потенциала в дуге: * / — катод; 2 — катодная область; з— столб; 4 — анодная^область; 5—анодРис. 2-1. Основные области дуги и распределение^потенциала в дуге: * / — катод; 2 — катодная область; з— столб; 4 — анодная^область; 5—анодСтолб дуги. В столбе дуги падение напряжения сравнительно невелико, а напряженность поля в нем составляет 10—50 В/см. При отсутствии ограничений в радиальном развитии столба дуги его диаметр, а также температура и напряженность поля в нем определяются внутренними процессами. Для оценки величины перечисленных параметров столба дуги современная теория использует уравнение баланса энергии единицы длины столба и _
Рис. 2-1. Основные области дуги и распределение^потенциала в дуге: * / — катод; 2 — катодная область; з— столб; 4 — анодная^область; 5—анод
Рис. 2-1. Основные области дуги и распределение^потенциала в дуге: * / — катод; 2 — катодная область; з— столб; 4 — анодная^область; 5—анод
Рис. 2-2. Зависимость напряжений в приэлектродных областях от потенциала ионизации дугового газа
3 Заказ № 78233
ции газа (Саха). Кроме того, для дуги справедлив «принцип минимума», утверждающий, что из всех возможных состояний столба наиболее устойчиво состояние с минимальной напряженностью поля в нем Из этих уравнений и изложенного принципа вытекают:
температура столба, К:
Т = 800Z/z;(2-1)
напряженность поля, В/м:
£=2-10»-^-;(2-2)
плотность тока, А/м2: ’
Zcp = 5,5-10-8‘-уу,(2-3)
где Ut — потенциал ионизации; Ge—сечение столкновения атомов с электронами.
По силе тока /д и его плотности гср легко вычислить сечение S и диаметр столба d, так как
^ nd® /д4icp
Из уравнений (2-1)—(2-3) видно, что все параметры столба дуги наиболее существенно зависят от потенциала ионизации дугового газа, с ростом которого значительно увеличиваются температура столба, напряженность поля и плотность тока. Так, при горении дуги в парах калия (U{ = 4,33 эВ) и силе тока 200 А температура столба равна 3460 К, напряженность поля 8 В/см и плотность тока 300 А/см2. При той же силе тока дуга в парах железа (Ut = 7,83 эВ) характеризуется параметрами Т = 6320 К, Е = 28 В/см и icp = 1800 А/см2.
В большинстве случаев сварочные дуги горят в смесях многих газов и паров, включающих пары электродов, покрытий и флюсов, воздух, защитные газы и т. д. При термической ионизации такие смеси веду г себя подобно некоторому однородному газу с «эффективным потенциалом ионизации U3^», зависящим как от потенциалов ионизации компонентов смеси ии так и от их относительной концентрации -^-. Как показал В. В. Фролов,
к
Т , хл (m W /58001// \,х
^Ф = - tooo-ln^ ехР((2'4)
Из уравнения (2-4) следует, что наибольшее влияние на величину эффективного потенциала ионизации смеси оказывает тот компонент, который имеет самый низкий потенциал ионизации,
34
'Так, смесь паров калия (1/, = 4,33 эВ) и железа (Ut = 7,83 эВ) при одинаковой их концентрации ~ = 0,5 и температуре 5800 К характеризуется эффективным потенциалом ионизации ^эф = — 4,61 эВ. В большинстве случаев введение в газ столба 5—8% присадок с низким потенциалом ионизации уже существенно снижает U3^ смеси и в соответствии с уравнениями (2-1)—(2-3) оказывает сильное воздействие на все параметры столба: снижается температура и напряженность поля в нем, увеличивается диаметр.
При сварке металлов неплавящимися электродами в среде защитных газов концентрация различных компонентов смеси неодинакова по длине дуги. Так, при сварке алюминия в среде аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая концентрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия, наименьшая —■ у вольфрамового электрода. В результате столб сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового электродов Температура, плотность тока и напряженность поля в различных его сечениях неодинаковы. Это, в свою очередь, приводит к появлению интенсивных потоков плазмы.
Мощность, теряемая столбом дуги,
Рс = ЕПС
частично передается электродам дуги, частично излучается в пространство. Чем больше дуга углубляется в свариваемый металл, тем меньше потери излучения столба.
Анодная область. Температура газа в этой области падает на несколько тысяч градусов от температуры столба Тс до температуры поверхности активного пятна анода. Активной называется лишь та часть поверхности анода, на которую течет ток дуги. Большинство металлических анодов, кипящих при температурах ниже 4000 К, испаряется в зоне активных пятен под действием теплоты дуги, поэтому перепад температур АТ в анодных областях в таких случаях может быть найден с достаточной определенностью из уравнения
АТ = Тс — Тк,
гДе Тк — температура кипения материала анода.
При протяженности анодной области 10~4 см и АТ = 3-104 К
АТ
градиент температуры в ней имеет значение —— = 3-10’ К/см. Это вызывает интенсивный тепловой поток Q в сторону анода:
Q^ — ^ Ft,
где т] — коэффициент теплопроводности газа; Ft — площадь активного пятна на аноде.
Стационарное состояние анодной области возможно при восполнении этого потока выделяющейся внутри нее мощностью 3*35
тока UJ^, где Ua — падение напряжения в анодной области. Отсюда баланс энергии анодной области выражается соотношением
UJ^-^Ft.(2-5)
Сравнительно низкая средняя температура анодной области указывает на весьма малую вероятность термической ионизации заполняющего ее газа. Поэтому основными заряженными частицами, находящимися в этой области, являются электроны, переносящие ток от столба к аноду. Электроны создают здесь пространственный отрицательный заряд плотностью Ре, который и определяет характер изменения напряженности поля в анодной области. С учетом этого заряда и переносимого им тока можно из уравнения (2-5) найти величину падения напряжения в анодной области:
U. = 2,65-10’^ J2 ,(2-6)
где I — средняя плотность тока в анодной области; Ье — подвижность электронов.
Заметное влияние на величину Ua оказывает коэффициент теплопроводности газа, заполняющего анодную область. В газах с высокой теплопроводностью сравнительно велико падение напряжения в анодной области. Вследствие сравнительного постоян- дт0,6
ства соотношения —6 ^- в широком диапазоне изменений потенциала ионизации газа столба и тока дуги анодное напряжение относительно постоянно (см. рис. 2-2). По многочисленным измерениям в дугах сварочного режима Ua составляет 4—6 В.
Мощность иа1л, выделяющаяся в анодной области, передается аноду и расходуется на его нагрев и плавление. Кроме того, при пересечении электронами границы газ—металл их потенциальная энергия уменьшается на величину работы выхода металла <р, которая также передается аноду. При силе тока /д и работе выхода UB эта разность составит UBIR. В результате общая передаваемая аноду мощность равна
ра = ^иа^ив)1д.
В дуге со стальным анодом Ua =4,2 В, a UB = 4,36 В, поэтому каждым ампером тока аноду передается мощность (4,2 + 4,36) X X 1 = 8,56 Вт. Ее достаточно, чтобы за 1 ч расплавить и нагреть до температуры 2933 К (температура капель, покидающих стальной анод) около 14,5 г/А-ч металла. По многочисленным измерениям фактически плавится 11,5 г/А-ч металла, так как часть передаваемой аноду мощности затрачивается на его испарение. Расчеты и измерения показывают, что эта мощность составляет около 2 Вт на каждый ампер тока.
Катодная область. Недостаток данных о физических процессах в катодной области заставляет исследователей пользоваться рядом гипотез об их сущности и на этой основе выяснять важные для практики сварки закономерности. Основное затруднение возникает при объяснении процессов стекания электронного тока высокой плотности с катодов дуги, кипящих при сравнительно низких температурах (холодных катодов).
Расчет термоэлектронного тока 1е производят по уравнению Ричардсона—Дешмана:
Д = АТ2ехр £^ ,
где А — постоянная; Т — температура поверхности катода; к — постоянная Больцмана.
Такие расчеты дают максимальную величину плотности термоэлектронного тока на стальных, медных, алюминиевых, никелевых и других холодных катодах 1е = 20-^50 А/см2. Экспериментально же измеренная плотность тока в активных пятнах таких катодов достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Следовательно, термоэлектронной эмиссией нельзя объяснить процессы на холодных катодах.
Электростатическая гипотеза объясняет механизм стекания электронов действием у катода поля высокой напряженности (Е = 1О’-н1О8 В/см), создаваемого объемным положительным зарядом ионов. Она удовлетворительно согласуется с основными представлениями и уравнениями современной физики, описывающими явления на границе металл—газ в аналогичных условиях. Однако эта гипотеза пока не разработана в такой мере, чтобы выяснить основные параметры катодной области и определяющие их факторы.
Термическая гипотеза предполагает существование у катода небольшой области газа — ионизационного пространства, нагретой до температуры немного более высокой, чем температура столба. В этой области в результате интенсивной термической ионизации образуется необходимое количество электронов и ионов, которые движутся соответственно заряду в столб (электроны) и к катоду (ионы). Рекомбинируя у поверхности катода, ионы вызывают стекание с него тока электронов соответствующей силы. На основе термической гипотезы получены некоторые подтверждаемые экспериментом закономерности, описывающие катодную область дуги.
Принимается, что температура ионизационного пространства постепенно убывает в направлении катода от некоторого максимального значения Ти до температуры кипения материала катода Тк, поскольку скачки температуры и, следовательно, бесконечные градиенты падения температуры -^- невозможны. В катодной области разность температур АГ = Ти — Т& может
37
Дос'гига'гь нескольких тысяч градусов, а ее градиент —— — = 108 К/см. При этом тепловой поток в сторону катода достигает значительной величины, определяемой уравнением
дт
(2-7)
Как и в анодной области, стационарное состояние газа у катода возможно при соблюдении баланса его энергии:
^к7д = -11^5к.(2-8)
В уравнениях (2-7), (2-8) FK обозначает площадь катодной области, через которую проходит ток дуги, и равную ей площадь активного пятна на катоде. В слое газа, непосредственно примыкающем к катоду и имеющем сравнительно низкую температуру, термическая ионизация практически невозможна. Поэтому электрический ток через него переносится главным образом ионами, движущимися из ионизационного пространства к катоду. Ионы создают здесь объемный положительный заряд значительной плотности.
Расчеты показывают, что электроны, обладающие весьма высокой по сравнению с ионами подвижностью, практически не влияют на плотность объемного заряда у катода, даже если их ток составляет половину общего тока дуги. С учетом объемного заряда у катода, определяемой им напряженности поля и плотности тока, полученной из уравнения (2-8) баланса энергии катодной области, получают выражение для катодного падения напряжения
к
где Ь,— подвижность ионов; гк—плотность тока в катодной области.
В катодной области почти всегда наблюдается сужение электропроводного газового канала. Это можно рассматривать как результат малой взаимной зависимости процессов, определяющих плотности токов в столбе и катодной области. Поэтому для катодной области отношение —-0 ■, входящее в уравнение (2-9), не г’к является постоянным и существенно зависит от разности температур в ее пределах. В связи с этим по мере роста потенциала ионизации газа столба увеличиваются температура Ти и разность АТ = Ти — Тк, поскольку температура активного пятна ограничена температурой кипения катода Тк и остается постоянной. В соответствии с уравнением (2-9) это приводит, при прочих равных условиях, к увеличению напряжения катодной области.
Зависимость UK от U£, вычисленная по уравнению (2-9), хорошо подтверждается экспериментом (см. рис. 2-2).
Из приведенных уравнений следует, что при высоких температурах кипения катода разность температур АТ = Ти — Тк и напряжение катодной области должны быть сравнительно низкими. Действительно, при прочих равных условиях напряжение у вольфрамового катода составляет 8—9 В, у алюминиевого 17— 18 В. Подтверждается также зависимость катодного напряжения от теплопроводности газа. В дугах, горящих в струе гелия, обладающего высокой теплопроводностью, катодное и анодное напряжения выше, чем в аргоне, теплопроводность которого сравнительно невелика. Эти падения выше в парах алюминия и ниже в парах железа в полном соответствии с их теплопроводностью.
При любом механизме протекающих в катодной области процессов она поставляет в столб электроны с потенциальной энергией, близкой к нулю. На переход каждого электрона из катода в столб затрачивается работа выхода гр (эВ) или UB, а при силе тока дуги /д — мощность 1^^ Поэтому результирующая мощность, получаемая катодом,
Она затрачивается на нагрев и плавление катода; чем больше катодное напряжение дуги UK, тем интенсивнее плавится катод. Выше показано (см. рис. 2-2), что UK возрастает с ростом потенциала ионизации Ut дугового газа. Поэтому введение в дугу легко ионизирующихся элементов, снижающих ии всегда приводит к уменьшению как скорости плавления катода, так и эффективности сварочного процесса. Опыт показывает, что повышение коэффициента теплопроводности газа в катодной области приводит к росту скорости плавления катода.
В дуге со стальным катодом, горящей в воздухе, UK = 14 В, UB = 4,36 В, поэтому мощность, передаваемая катоду каждым ампером тока,
Рк = (14 _ 4,36) = 9,64 Вт/А.
Этой мощности достаточно для плавления 17,4 г/А-ч стали. Фактически расплавляется 14,5 г/А-ч и около 2 Вт/А затрачивается на испарение катода.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Проводники, подобные дуге, называются нелинейными, и их характеризуют статические вольт-амперные характеристики (в. а. х.), представляющие зависимость напряжения на них от тока в установившихся режимах. Поскольку Un = U„ + U„ + EL, то из уравнений (2-2), (2-6) и (2-9) следует
Здесь А, В и С объединяют все постоянные, входящие в соответствующие уравнения.
При малых токах тепловые потоки от приэлектродных областей к активным пятнам электродов невелики'и последние не могут быть разогреты до температуры кипения. Поэтому разность температур и, следовательно, напряжения в этих областях при малых токах значительны. Велико при этом и падение напряжения в столбе. В этих условиях дуга характеризуется высоким напряжением горения.
По мере роста силы тока разогрев электродов увеличивается, разности температур в приэлектродных областях, а также напряжение столба уменьшаются. В итоге общее напряжение дуги с увеличением силы тока уменьшается и вольт-амперная характеристика становится падающей. Однако при некотором значении тока катодное пятно дуги занимает весь торец электрода и дальнейшее его увеличение становится невозможным. Увеличение силы тока дуги после этого происходит не за счет увеличения площади проводящего канала у катода, а вследствие увеличения концентрации зарядов в нем. Последнее происходит при повышении температуры канала и, следовательно, увеличении разности температур в катодной области. В итоге увеличивается катодное напряжение и характеристика дуги становится сначала независимой, затем возрастающей. Чем меньше диаметр электрода, тем при меньших силах тока падающая характеристика дуги становится независимой и затем возрастающей. Две такие характеристики для горящих в воздухе дуг длиной Zc = 5 мм со стальными электродами диаметром 2 и 4 мм показаны на рис. 2-3.
Газовые потоки в дуге. Мощные потоки ионизированного газа с преимущественным направлением вдоль оси обнаружены экспериментально во всех дугах. Как правило, они появляются при токах выше 50 А по истечении не более 10“ 6 с после возбуждения дуги. Их скорости в сварочной дуге со стальными электродами достигают 75—150 м/с. Потоки обладают значительной тепловой мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги. Так, по измерениям Н. Н. Рыкалина, И. Д. Кулагина и А. В. Николаева, при силе тока свыше 300 А мощность, передаваемая потоком газа свариваемому изделию, составляет 40% получаемой через активное пятно дуги.
Газовые потоки оказывают также силовое воздействие на электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту валика Потоки сообщают «жесткость» дуге вблизи электродов, поддерживая направление столба перпендикулярно поверхности активных пятен. Причинами возникновения потоков являются сжатие плазмы столба собственным магнитным полем (пинч- эффект) и испарение электродов.
В столбе дуги действует магнитное поле с концентрическими линиями индукции, как вокруг всякого линейного проводника (рис. 2-4). Поскольку ток di в различных элементах столба протекает почти перпендикулярно индукции поля В, на них действует сила Ампера df, направленная к центру столба и вызывающая
40
Рис. 2-3. Статические вольт-амперные характеристики открытой дуги с катодами различных диаметров
Рис. 2-4 Элемент тока d/ в магнитном поле столба
его сжатие.. Когда столб представляет собой цилиндр, сжатие во всех его сечениях одинаково и осевой поток газа отсутствует. В случае наличия даже местных сужений столба наибольшее сжатие, как показывает анализ, наблюдается в его самых малых сечениях. В результате газ перетекает из зоны большего сжатия в соседние зоны, т е. в сторону уширения столба. Поскольку указанные местные сужения наблюдаются главным образом у катода, то там и зарождаются потоки газа.
Испарение электродов объясняется тем, что передаваемая дугой их активным пятнам удельная мощность не может быть отведена от пятен теплопроводностью и лучеиспусканием даже при предельно возможной температуре пятен (кипении). Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что интенсивность испарения электродов и вызываемые им эффекты растут по мере увеличения передаваемой электродам мощности и плотности тока в активных пятнах. Обе эти величины быстро растут по мере увеличения потенциала ионизации дугового газа Особенно интенсивные потоки истекают из пятен электродов, кипящих при низких температурах.
Распределение энергии по активным пятнам дуги. Как показывает опыт, мощность, передаваемая активным пятнам дуги и расходуемая на нагрев, плавление и испарение электродов, распределена по площади пятен неравномерно. Максимальна она в центральных зонах пятен и уменьшается к краям. Кроме того, электроды-пластины, которыми чаще всего служат свариваемые изделия, получают от дуги часть мощности излучения и газовых потоков столба теми точками, которые расположены за пределами активных пятен. Пятна, в свою очередь, перемещаются (блуждают) по поверхностям электродов. Все это приводит к увеличению ширины и уменьшению глубины проплавления металла, что снижает эффективность дуги в сварочном процессе.
*Для уменьшения зоны блуждения пятна дуги на электродепластине столб дуги помещают в продольное магнитное поле либо
41
Таблица 2-1
Энергетические и технологические характеристики дуг
Параметр
Потенциал ионизации U.
высокий
НИЗКИЙ
Напряжение дуги
Высокое
Низкое
Активный к. п. д., %
55—65
55—65
Падение напряжения, В: анодного
4—6
4—6
катодного
Высокое
Низкое
Плотность тока на аноде и на катоде . . .
Высокая
Низкая
Скорость плавления стальной проволоки, г/А -ч:
анода
11—12
11—12
катода
Высокая
Низкая
Погружение активных пятен в ванну: анодного
Малое
Малое
катодного
Большое
»
Блуждание катодного пятна по электродам
Интенсивное
Слабое
Эластичность дуги
Малая
Большая
на пластины наносят пленки вещества, затрудняющего горение Дуги.
Зону действия газовых потоков уменьшают сужением сечения столба дуги у электродов-пластин путем уменьшения длины дуги и увеличения потенциала ионизации ее газа. Общие характеристики дуг с высоким и низким потенциалом ионизации дугового газа приведены в табл. 2-1.
Особенности дуг переменного тока. При питании дуги переменным током частотой / каждый из электродов / раз в секунду поперечнно бывает катодом и анодом. За каждый период ток дважды принимает нулевое значение, при котором дуга гаснет. Затем, по мере увеличения тока, она снова возбуждается. Опыт и теоретические расчеты показывают, что даже после весьма кратковременных погасаний дуги газ столба охлаждается, деиони-
Рис. 2-5. Осциллограмма тока и напряжения дуги переменного тока
зируется и каждое повторное возбуждение дуги происходит в условиях, требующих кратковременного повышения напряжения на электродах. В результате в начале каждого полупериода на кривой напряжения дуги появляется пик, называемый пиком зажигания (рис. 2-5).
Чем выше потенциал ионизации дугового газа, тем выше температура столба дуги [см. уравнение (2-1) ], тем быстрее он теряет энергию и охлаждается перед повторными возбуждениями. Если для повторных возбуждений дуги требуются напряжения более высокие, чем амплитуда напряжения холостого хода сварочного трансформатора, дуга повторно не возбуждается и процесс прекращается.
Для облегчения повторных возбуждений дуг с высоким потенциалом ионизации дугового газа используют осцилляторы и специальные генераторы импульсов, повышающие напряжение на электродах после перехода тока дуги через нулевые значения. На возбудившейся дуге в течение всего полупериода тока устанавливается постоянное напряжение, и она горит устойчиво. При использовании в качестве электродов металлов с различной температурой кипения дуга приобретает выпрямляющее свойство, отрицательно влияющее на формирование сварных швов и работу источников питания. Это свойство выражается в различии величин напряжения и тока дуги в соседних полупериодах (рис. 2-6). Так, при сварке алюминия вольфрамовым электродом в среде аргона напряжение дуги длиной 4 мм в тот полупериод, когда катодом является вольфрам, равно 12 В. В другом полупериоде, когда катодное пятно располагается на алюминиевом изделии, напряжение повышается до 22 В. Это вызывает соответствующее уменьшение тока.
Рис. 2-6. Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке вольфрамовым и алюминиевым электродамиРис. 2-6. Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке вольфрамовым и алюминиевым электродамиВыпрямляющее свойство описанных дуг определяется различием температур кипения катодов, от которых, в свою очередь, зависят разность температур АТ и катодные напряжения UK дуг [см. уравнение (2-9)1. Так, при расположении катодного пятна на вольфраме, температура поверхности которого достигает 3500 К, разность температур АТ в катодной области дуги в парах алюминия (t/t. = 5,95 эВ) будет 2260 К. Когда же катодное пятно находится на алюминии, кипящем при температуре 2333 К, то разность температур в катодной области АТ будет 3427 К- По
Рис. 2-6. Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке вольфрамовым и алюминиевым электродами
Рис. 2-6. Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке вольфрамовым и алюминиевым электродами
уравнению (2-6) приведенное различие в разности температур обусловливает различие в катодных падениях напряжения на 9 В.
Сжатые дуги. При ограничении области существования дуги в радиальном направлении применением электродов малых диаметров или специальных ограничивающих сопл она приобретает новые свойства, отражаемые названием «сжатая дуга». Сжатие столба соплом уменьшает площадь анодного пятна и зону его блуждания, что приводит к концентрации энергии на аноде и увеличению глубины его проплавления. Струя плазмы, истекающая из сопла, повышает также давление на жидкий мёталл ванны и вызывает увеличение глубины проплавления анода. Однако при некоторых критических скоростях струй жидкий металл выдувается и сварка становится невозможной. Зато интенсивно протекает процесс разделительной резки, имеющий важное значение в промышленности.
Мощность Ра, затрачиваемая на нагрев и плавление анода, складывается из мощности (Ua + U^ /д, передаваемой дугой активному пятну, и мощности Рп, передаваемой аноду струей плазмы: Ра = (Ua + 1/в) /д + Рп.
§ 2-2. Шлаковая ванна
Шлаковой ванной называют объем жидкого шлака, в котором при сварке электрическая энергия преобразуется в тепловую. Вместе с тем шлаковая ванна защищает расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха, растворяет окислы и загрязнения на поверхности основного и электродного металлов и в некоторых случаях легирует металл шва. По химическому составу шлаковая ванна обычно представляет собой расплав различных окислов или солей.
В отличие от дугового разряда при электрошлаковых процессах нет явно выраженных приэлектродных областей. Ток переходит с электрода в шлаковую ванну сразу после того, как на его поверхности растворятся окислы. Обычно это происходит на глубине около 1 см от поверхности ванны. Еще несколькими миллиметрами глубже начинается плавление электрода. Оно заканчивается на глубине 20—30 мм в зависимости от скорости подачи электрода. Оплавляемый конец электрода все время сохраняет коническую форму, точнее форму параболоида вращения (рис. 2-7).
Электродный металл переносится в ванну каплями. Частота переноса капель возрастает с возрастанием скорости подачи электрода. При большой скорости подачи электрода, низком напряжении и малой глубине шлаковой ванны капли металла могут соединяться с металлической ванной раньше, чем отделятся от электрода. Такое металлическое соединение электрода с ванной существует очень короткое время; оно почти мгновенно разрушается под действием электродинамических усилий, возникающих в проводнике и резко увеличивающихся с возрастанием
плотности тока. Однако вследствие большой частоты замыканий (несколько сотен в секунду) среднее время прохождения тока через металл может составлять значительную долю общего времени сварки. Это явление не носит характера короткого замыкания Обшая проводимость зоны сварки в момент замыкания возрастает всего в 1,5—1,7 раза. Мощность в зависимости от характеристики источника питания или изменяется незначительно, или несколько возрастает.
В отличие от дуговой сварки под флюсом при электрошлаковой сварке почти вся электрическая мощность передается шлаковой ванне, а от нее — электроду и основному металлу. Условием стабильности процесса является постоянство температуры шлаковой ванны, иначе говоря, равенство получаемой и отдаваемой ею теплоты. На рис. 2-8 показаны примерные зависимости выделяемой в шлаке и отдаваемой им мощности от средней температуры шлаковой ванны. При низких температурах кривая отдаваемой мощности всегда лежит выше кривой выделяемой мощности, так как теплоотдача происходит при всех температурах, превышающих температуру окружающей среды, а заметное выделение мощности в шлаке начинается при температуре, близкой к 1000° С.
Характер кривой отдаваемой мощности зависит от геометрических размеров полости, некоторой происходит сварка; глубины шлаковой ванны; коэффициентов теплопередачи от шлака к основному ■■металлу и к охлаждающим устрой
ствам; характера плавления основ- 111, ного металла; мощности, расходуе
мой на испарение летучих компонен- *тов шлака; количества подаваемого
.в зону сварки присадочного металла
Рис. 2-8. Влияние средней температуры шлаковой ванны на выделяемую () в шлаке и отдаваемую () мощностьРис. 2-8. Влияние средней температуры шлаковой ванны на выделяемую () в шлаке и отдаваемую () мощность■и других факторов.
Рис. 2-8. Влияние средней температуры шлаковой ванны на выделяемую () в шлаке и отдаваемую () мощность
Рис. 2-8. Влияние средней температуры шлаковой ванны на выделяемую () в шлаке и отдаваемую () мощность
Рис. 2-7.
Форма конца проволочного электрода при электрошлаковой сварке:
° — напряжение сварки 39 В, б — напряжение сварки 43 В
На характер кривой выделяемой мощности влияют зависимость электропроводности шлака от температуры, внешняя характеристика источника питания и глубина погружения электрода в шлак. В том случае, когда кривые выделяемой и отдаваемой мощности не пересекаются, процесс вообще невозможен (кривая а\ Если кривые пересекаются в одной точке (кривая б), то процесс не может быть устойчивым: влево от точки пересечения (точка Л) температура и мощность будут непрерывно падать, а вправо —■ расти. При наличии второй точки пересечения (точки Б на кривой а) процесс будет устойчивым.'
Кривая б получается при жесткой характеристике источника питания и размерах межэлектродного пространства, мало или медленно изменяющихся с температурой ванны. Это бывает при большом сечении расплавляемого электрода, особенно когда оно соизмеримо с сечением образующегося шва. Чтобы получить кривую в, нужно либо уменьшить жесткость характеристики источника, либо изменить характер зависимости проводимости ванны от температуры.
С повышением температуры растет удельная электропроводность шлака, но уменьшается глубина погружения электрода, что снижает проводимость ванны. Этот фактор действует тем сильнее, чем меньше сечение плавящегося электрода, так как при малых сечениях электрода изменение линейных размеров больше при том же изменении количества расплавляемого металла. При малом сечении электрода изменения формы межэлектродного пространства достаточно для стабилизации температуры ванны Процесс идет устойчиво даже при совершенно жесткой характеристике источника питания и пазличных составах шлаковой ванны.
Вследствие вертикального положения оси шва поверхность металлической ванны оказывается расположенной ниже места плавления кромок (рис. 2-9). Расплавленный металл стекает вниз. Кромки 2 свободно омываются горячим шлаком 3 и интенсивно плавятся. Благодаря интенсивному перемешиванию шлака плавление кромок происходит на большем расстоянии от электрода /, чем это возможно при дуговой сварке. Более раннему плавлению свариваемых кромок способствует также интенсивный подвод теплоты от металлической ванны 4, показанный на рис. 2-9 стрелками. В результате удаленный от кромки основной металл плавится несколько
раньше, чем сама кромка.
Практическим следствием этих особенностей является малый расход флюса, составляющий, с учетом потерь на рассыпание, в среднем 5% массы наплавленного металла, и малый расход электрической энергии на 1 кг наплавленного металла — в 1,5—
Рис. 2-9. Форма шлаковой ванны
раза меньше, чем при дуговой сварке. Еще более важным результатом этих особенностей является возможность осуществления однопроходной сварки металла толщиной до 150—200 мм на один электрод, а при большем числе электродов — металла практически неограниченной толщины.
При сварке проволокой значительная часть теплоты выделяется вследствие омического сопротивления электрода между местом токоподвода и концом электрода. При сварке плавящимся мундштуком или пластиной эта доля значительно меньше. Основная часть теплоты выделяется в сопротивлении растекания шлаковой ванны. При большой скорости подачи сварочной проволоки много теплоты может выделяться при кратковременных замыканиях электрода с ванной через капли жидкого металла.
Наилучшие условия для получения глубокой шлаковой ванны обеспечиваются при вертикальном положении оси шва. Поэтому при электрошлаковой сварке используют обычно принудительное формирование. Сущность принудительного формирования состоит в искусственном охлаждении свободной поверхности металлической ванны. На рис. 2-10, а показан теоретический случай, когда обмен теплоты через свободную поверхность металлической ванны отсутствует. Рис. 2-10, б соответствует наличию подогрева металлической ванны расплавленным шлаком, как это бывает при сварке под флюсом. Если изменить направление теплоотвода на обратное, как показано на рис. 2-10, в, то ванна примет чашеобразную форму. Такая форма позволяет производить сварку при вертикальном положении оси шва.
Охлаждение производится обычно с помощью медных пластин, в свою очередь охлаждаемых проточной водой. Для введения электрода в пространство между кромками необходимо, чтобы хотя бы с одной стороны охлаждающаяся поверхность передвигалась вверх вдоль шва по мере его образования. Такое скользящее устройство называется ползуном. Ползун является одновременно устройством, удерживающим шлаковую ванну от вытекания.
Важнейшими требованиями к шлакам для электрошлаковой сварки являются высокая температура кипения и отсутствие газообразования при нагреве до высоких температур. Некоторые шлаки кипят спокойно, без бурного выделения газов. Такое кипе-
Рис. 2-10. Зависимость формы металлической ванны от направления теплоотвода
Рис. 2-11. Зависимость электропроводности флюса АН-8 от температуры
ние, если оно не слишком интенсивно, не мешает процессу сварки, а, наоборот, служит хорошим регулятором температуры ванны, поглощая излишек энергии при повышении температуры. При прохождении электрического тока через шлак не происходит такого интенсивного выделения газов, сопровождающегося разбрызгиванием, как при дуговой сварке.
При установившемся электрошлаковом процессе разбрызгивания не происходит вовсе. Это позволяет вести сварку с открытой поверхностью шлаковой ванны. Подача флюса в ванну ограничивается очень небольшим количеством, равным количеству отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки толщиной 1—1,5 мм. Это составляет всего 2—3% массы наплавленного металла. Благодаря малому количеству расплавляемого флюса хорошо используется электрическая энергия.
Поскольку основное назначение шлаков для электрошлаковой сварки — преобразование электрической энергии в тепловую, то и основной их характеристикой является электропроводность и ее зависимость от температуры. Электропроводность расплавленных шлаков резко повышается с ростом температуры, ниже определенной температуры они практически являются непроводниками (рис. 2-11). Это обстоятельство усложняет стабилизацию процесса.
Из химических веществ, устойчивых в жидком состоянии при температурах, превышающих температуру плавления сталей, наиболее стойкими являются различные соли, в первую очередь фториды и хлориды щелочных металлов. При температурах 1000—2000° С они дают расплавы, полностью диссоциированные на одно- и двухзарядные ионы. Такие расплавы при температурах плавления стали имеют проводимость порядка нескольких ом"" гсм'х, обеспечивающую выделение достаточной для плавления черных металлов мощности при практически приемлемых напряжениях на электродах (порядка нескольких десятков вольт). Из однокомпонентных расплавов применяются фтористый кальций CaF2 для сварки сталей и фтористый натрий NaF для сварки и наплавки меди и ее сплавов.
Одним из недостатков чистого CaFa является его высокая электропроводность, вследствие которой нужная температура ванны и мощность достигаются при напряжении на электродах ниже 30 В и сравнительно больших токах. Это требует повышения сечения токоподводящих проводов и токоведущих частей самого
аппарата. Кроме того, расплав чистого фтористого кальция очень текуч, а это затрудняет удержание шлаковой ванны. Чаще применяются многокомпонентные шлаки, в состав которых входят СаО, МпО, СаР2 и другие соединения (см. гл. 7).
§ 2-З.^Электронный^луч
Электронным лучом (пучком) называют острофокусный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитированный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров (диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).
При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности металлического тела их кинетическая энергия превращается в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концентрации мощности электронный пучок уступает лишь лучу оптического квантового генератора (табл. 2-2).
Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнитных и электростатических аксиально-симметричных полей для фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники — основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки. Промышленное применение электроннолучевой сварки началось в конце 50-х годов нашего столетия.
В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столкновения и теряет энергию, причем меняются скорость и направление его движения. Угол вероятного отклонения электрона после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона, в результате на конечном участке пути электрон растрачивает основную часть своей энергии. Таким образом, электронный нагрев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко
Таблица 2-2
Сравнительные характеристики источников сварочного нагрева
Источник теплоты
Наименьшая площадь пятна иагрева, см2
Наивысшая плот- тость мощности в пятне, Вт/см2
Кислородно-ацетиленовое пламя . . .
МО'2
5-10*
Электрическая дуга
МО'3
1.10»
Электронный луч.
Световой луч оптического квантового
М0-’
5.10s
генератора . . .. . ..
Ы0-’
1.10»
4 Заказ № 782
49
применяемых в сварке источников Теплоты, нагревающих поверхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение наблюдается на глубине пробега электрона.
Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испаряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздействие потока электронов, а также давление отдачи вторичных и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла составляет основную часть общего силового воздействия на ванну, ее величина может достигать нескольких граммов. -
Электронный луч с требуемыми свойствами формируется в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча значительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаимного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей электронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются сохранения высокой удельной мощности пучка на большом расстоянии от пушки.
В каждой электроннолучевой пушке указанные условия формирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в различной степени в зависимости от предъявляемых к ней требований. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок электронов формировался только с помощью прикатодного электрода, без применения дополнительных фокусирующих систем (рис. 2-12, ц). Анодом пушки являлось само изделие. Такая однокаскадная электростатическая система фокусировки не может обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с высокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соединение металлов сравнительно небольшой толщины (1—2 мм). Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электрических пробоев. Технологические и электроннооптические характеристики пушки с однокаскадной электростатической фокусировкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов, а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное ускоряющее напряжение.
Наиболее широко для формирования сварочных пучков электронов применяется комбинированная электростатическая и электромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходящийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проектируется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).
Сварочные пушки можно разделить по величине ускоряющего напряжения на три основных класса: 1 — низковольтные (^уск = 5-ъЗО кВ); 2 — с промежуточным ускоряющим напря-
50
Рис. 2-12. Электроннооптические системы сварочных пушек:Рис. 2-12. Электроннооптические системы сварочных пушек:
Рис. 2-12. Электроннооптические системы сварочных пушек:
Рис. 2-12. Электроннооптические системы сварочных пушек:
а — однокаскадная система без ускоряющего электрода,
б — то же с ускоряющим электродом (анодом), в — система с комбинированной фокусировкой, / — катод.
2 — прикатодный электрод,
— траектории крайних электронов.
— изделие;
— анод,
— кроссовер;
— фокусирующая магнитная лииза,
— система отклонения пучка;
— фокальное пятно;
«о «1 — угловая апертура пучка
жением (Пуск = 40—60 кВ) и 3 — высоковольтные (Пуск = = 80н-200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3—100 кВт. Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются в высоком вакууме (10~4—10~5 мм рт. ст.). В газоразрядных пушках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" 1— Ю~ 2 мм рт. ст.
Основными требованиями к пучку электронов являются достаточно большая плотность энергии в пятне нагрева шп и малый угол сходимости а, пучка на изделии. Эти требования удовлетворяются в большей мере при высокой энергии электронов:
п v уск»
^1U уск ,
гДе Jn — ток пучка. 4*
В то же время защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее становятся сама пушка и ее источник питания.
§ 2-4. Лазерное излучение
Оптическое излучение, т. е. инфракрасная, видимая и ультрафиолетовая области спектра электромагнитного излучения, представляет известный интерес при сварке как источник нагрева. Такой источник — бесконтактный, и поэтому сварку можно вести в прозрачных для данного излучения средах или в закрытых баллонах. Весьма важно также, что в зону нагрева не вносятся примеси других веществ.
Несмотря на перечисленные преимущества, до недавнего времени сварку с использованием оптического излучения не применяли из-за отсутствия источников с высокой яркостью света. Применение света для сварки стало практически возможным с созданием оптических квантовых генераторов (ОКГ, лазеров), яркость которых чрезвычайно высока. Создаваемая ими плотность тепловой мощности в зоне облучения достаточна для расплавления (и испарения) всех известных материалов, что позволяет решать многие сварочные задачи технически и экономически более эффективно, чем другими существующими методами.
В настоящее время созданы лазерные устройства импульсного и непрерывного действия, обеспечивающие достаточную для плавления металлов мощность. Установки импульсного действия разработаны еще в начале 60-х годов, тогда как лазеры непрерывного режима высокой мощности (лазеры на углекислом газе) созданы лишь недавно. Поскольку разработка аппаратуры и технологии непрерывной лазерной сварки еще не вышла из стадии лабораторных испытаний, то предметом рассмотрения будет только импульсная лазерная сварка.
Принципиальная оптическая схема лазерной сварочной установки показана на рис. 2-13. Стержень активного материала /, например рубина, и импульсная лампа накачки 2 размещены в зеркальной полости осветителя 4. Электрическая энергия, накопленная в батареях конденсаторов, преобразуется лампой 2 в световую. Чтобы увеличить длительность импульса или сформировать его, в батарею конденсаторов включают индуктивности (наиболее часто применяют однородные длинные линии). Под воздействием света лампы накачки активный материал переходит в состояние, в котором он способен усиливать и генерировать свет определенной длины волны.
Для улучшения условия генерации стержень активного вещества помещают между двумя высококачественно отъюстированными по отношению к его оси зеркалами 3, которые совместно со стержнем образуют резонатор ОКГ. Для вывода излучения
52
Рис. 2-13. Оптическая схема лазерной сварочной установки
из полости резонатора одно из зеркал должно быть полупрозрачным. Вышедший из резонатора световой пучок собирается линзой 5. В плоскости, где поперечные размеры пучка наименьшие, а следовательно, имеет место наиболее высокая плотность мощности, располагают свариваемые детали. Поскольку обычно их размеры малы, лазерная сварочная установка снабжена микроскопом 6. Для повышения частоты срабатывания установки (повышения производительности) стержень и лампа охлаждаются потоком воды.
Основными характеристиками лазерного излучения, имеющими значение для сварки, являются расходимость излучения, определяющая размеры пятна после фокусировки, мощность и ее временная зависимость, а также длительность импульса. Благодаря малой расходимости излучения можно получать диаметр пятна после фокусировки размером до нескольких сотых долей миллиметра. Наиболее часто в сварочных установках применяют генераторы, излучающие свет с энергией до 10—50 Дж при длительности импульса до 10 мс. При этом плотность мощности в пятне достигает значений 108 Вт/см2.
Вследствие высокой тепловой мощности в зоне сварки для соединения деталей требуется минимальное количество теплоты. Это обусловливает малую зону нагрева и высокую локальность сварки.
Мощность светового потока, падающего на облучаемую зону, должна быть достаточной, чтобы сварить детали, и вместе с тем не быть очень большой, чтобы испарение металла из зоны нагрева не превышало допустимого. Величина длительности импульса должна быть такой, при которой обеспечиваются необходимая глубина проплавления и оптимальное протекание металлургических процессов для получения высококачественного соединения. В случае сварки пластин толщиной менее 0,3 мм оптимальная длительность импульса составляет 1—8 мс. Мощность светового потока и длительность импульса взаимосвязаны. Если требования
к размерам зоны нагрева нежесткие, всегда полезно увеличить длительность и несколько уменьшить мощность импульса.
Для увеличения глубины проплавления желательно иметь экспоненциально спадающий импульс света. При этом скорость уменьшения интенсивности должна быть такой, чтобы поддерживать максимально допустимую температуру облучаемой поверхности. Однако в связи с техническими затруднениями в большинстве сварочных установок изменение импульса света близко к прямоугольному. '
Необходимо иметь в виду, что импульс излучения твердотельных лазеров состоит из отдельных импульсов длительностью около 1 мкс с периодом следования в несколько микросекунд (т. е. пичковая структура импульса). Наличие такой структуры приводит к превышению в несколько раз пиковых значений теплового потока в свариваемой детали по сравнению со средним его значением. При этом могут быть легко созданы условия для интенсивного испарения металла. Действие пичковой структуры лазерного излучения можно существенно ослабить, применив сферический резонатор в ОКТ вместо плоскопараллельного. При определенной геометрии сферического резонатора можно даже получить беспичковую структуру излучения.
Рассмотрим тепловое воздействие света на металлы. Металлическая поверхность поглощает часть падающего на него светового потока, а другую часть отражает. Она безвозвратно теряется для использования. Поглощение света металлом происходит в тонком поверхностном слое толщиной в несколько длин волны. Поглощенная доля светового потока называется поглощательной способностью Л. Она зависит от рода металла и состояния поверхности — чистоты механической обработки и степени окисленное™. Для тщательно полированных металлических поверхностей А изменяется от 0,05 для серебра до 0,3—0,5 для большинства металлов.
§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением
Под тепловыми процессами при сварке принято подразумевать повышение температуры свариваемых изделий (и присадочного материала) под влиянием источников сварочного нагрева, распространение теплоты по изделию и отвод ее в окружающую среду. Изменение температуры определяет, помимо явлений плавления и кристаллизации металла, прохождение целого ряда сопутствующих процессов в материале изделия — структурные превращения, объемные изменения, упруго-пластические деформации и т. д. Эти процессы оказывают значительное влияние на качество сварного соединения и всей конструкции в целом.
Значительные заслуги в разработке фундаментальных основ теории тепловых процессов при сварке принадлежат главным
S4
образом советским ученым и в первую очередь академику Н. Н. Ры- калину.
Подводимая к свариваемому изделию (присадочному металлу) теплота характеризуется величиной тепловой мощности и законом распределения ее в пространстве и времени. Эти характеристики во многом зависят от способа и условий сварки, формы соединения и других факторов. Рассмотрим эти вопросы применительно к наиболее типичным способам сварки плавлением.
Дуговая сварка. Подводимая к сварочной дуге электрическая энергия частично расходуется на протекающие в дуге процессы (см. § 4), частично же отдается окружающей среде путем кон- дуктивной, конвективной и радиационной теплоотдачи, светового излучения, звуковых колебаний и т. п. Поскольку доля нетепловых видов энергии в энергетическом балансе дуги сравнительно невелика, дугу по праву считают преобразователем электрической энергии в тепловую. Тепловую мощность дуги можно принимать пропорциональной тепловому эквиваленту электрической энергии, т. е.
q = ^Ш,
где U, I — соответственно средние значения падения напряжения на дуге и силы тока в цепи; ф — коэффициент мощности или формфактор. Наиболее вероятные значения коэффициента ф находятся в пределах 0,8—-0,95.
Часть теплоты сварочной дуги бесполезно теряется в окружающей среде, а большая часть идет на нагрев и плавление присадочного и основного металлов, электродного покрытия либо флюса и на химические реакции в зоне сварки. Величина тепловой мощности дуги, теряемой в окружающее пространство, как и величина ф, зависит от многих трудноучитываемых параметров режима сварки. В связи с этим значения основных составляющих теплового баланса дуги принято определять, пользуясь понятием эффективного к. п. д., например, эффективный к. п. д. нагрева изделия дугой т]и, нагрева электрода дугой щ, нагрева флюса дугой Т]ф и т. д.
Величины эффективных к. п. д. определяются обычно экспериментальным путем и представляют собой отношение тепловой мощности данной статьи теплового баланса к тепловому эквиваленту электрической энергии дуги. Калориметрическими опытами установлено, что эффективный к. п. д. процесса нагрева изделия сварочной дугой т]и зависит главным образом от условий ее горения (табл. 2-3).
Коэффициент т]и уменьшается с увеличением длины дуги и повышается с увеличением скорости сварки и углублением дуги в сварочную ванну. На величину т]и влияет и форма детали в зоне сварки — так называемый геометрический фактор. Например, при наплавке валика открытой дугой в разделку шва значения т]и на 5—10% выше, чем при наплавке на плоскость. Повышение т]и
Таблица 2-3
Значения т|и для различных сварочных дуг
Способ сварки
Чи
Под флюсом
0,80—0,95
Плавящимся электродом с качественным покрытием
0,70—0,85
В углекислом газе
0,58—0,72
В углекислом газе с порошковой проволокой
0,70—0,85
В аргоне неплавящимся электродом
0,50—0,60
В аргоне плавящимся электродом
0,70—0,80
Вибрирующим электродом в струе жидкости
0,60—0,70
при углублении дуги в сварочную ванну связано с улучшением теплообмена между дугой и изделием, а также с уменьшением потерь теплоты с разбрызгивающимся электродным материалом.
Опыт показывает, что в дугах, мало погруженных в металл изделия, скорость плавления электродов не зависит от длины дуги. Это означает, что плавление происходит главным образом за счет энергии, получаемой электродами от примыкающих к ним областей дуги и потенциальной энергии электронов. В этих случаях к. п. д. дуги приближенно может быть найден из соотношения
(2-Ю)(2-Ю)Ук + Уа
(2-Ю)
(2-Ю)
Пи ~ Уд
где UK, Ua и ^7Д — падения напряжения в катодной области, анодной области и общее падение напряжения дуги соответственно.
Дуги, сильно погруженные в металл изделия (например, при сварке под флюсом), нагревают и плавят металл частично и энергией столба А£7С, поэтому их к. п. д.
ПиПиУ к 4" Уа 4" А УсУ к 4" Уа 4" А УсУдУд(2-Н)(2-Н)
Пи
Пи
У к 4" Уа 4" А Ус
У к 4" Уа 4" А Ус
Уд
Уд
(2-Н)
(2-Н)
Расчет по уравнению (2-10) для большинства открытых дуг длиной 3—6 мм дает к. п. д. 50—65%. При полном погружении дуги, когда потери излучения столба возможны только через зазоры между поверхностью ванны и стержневым электродом, к. п. д. по уравнению (2-11) оценивается примерно в 75—85%.
Теплота, затрачиваемая дугой на нагрев электрода, флюса ' или защитного газа (жидкости), также во многом зависит от характеристики дуги, условий и режима сварки. В табл. 2-3 приведены отдельные данные для этих величин, дающие представление о количестве теплоты, расходуемой дугой на нагрев электрода, флюса и защитного газа.
Характерно, что сумма всех эффективных коэффициентов (с учетом т]и), как правило, заметно больше единицы (за исключением сварки неплавящимся электродом). Это связано с наличием не-
56
Таблица 2-4
Значения эффективного к. п. д.
для различных составляющих теплового баланса дуги
Статья теплового баланса дуги
Источник информации
Нагрев электрода (i -> э)
Нагрев флюса (i -> ф)
Нагрев защитного газа (t -> г) . . .
0,20—0,40
0,10—0,20
0,05—0,15
А. А. Ерохин
Н. Н. Рыкалин
Д. Вилкинсон и Д. Милнер
прерывного теплообмена между отдельными потребителями тепловой энергии сварочной *дуги. Например, для случая сварки плавящимся электродом под флюсом теплота, затраченная на нагрев электрода и флюса, участвует затем в нагреве основного металла, что в определенной степени оказывает влияние на характер ввода теплоты сварочной дуги в изделие. Согласно наиболее распространенной схеме, теплота непосредственно передается изделию через эффективное пятно дуги, конвективными потоками плазмы вдоль столба дуги и радиационным излучением. Распределение удельного теплового потока q таких дуг приближенно можно выразить кривой Гаусса (нормальным законом распределения):
q = q^-11'1,
где qm — наибольший тепловой поток в центре пятна, Вт/см2; k— коэффициент сосредоточенности источника, 1/см2; г—■ радиальное расстояние от оси дуги, см.
Наиболее близко такой схеме соответствуют дуги сравнительно небольшой мощности при сварке покрытыми электродами с небольшим количеством шлакообразующих в покрытии, а также дуги с неплавящимся электродом, горящие в среде аргона. При сварке мощными дугами электродами с качественным покрытием либо под флюсом значительная часть теплоты вводится в изделие через присадочный материал, шлак или флюс (см. рис. 2-14), что приводит к существенно более сложному распределению теплового потока.
Электрошлаковая сварка. Выделение теплоты при электро- шлаковом процессе происходит в результате прохождения электрического тока через расплавленный шлак. Выделяемое в шлаковой ванне в единицу времени количество теплоты q0 пропорционально тепловому эквиваленту подводимой электрической энергии. Другие источники теплоты столь невелики, что ими можно пренебречь. Эффективная мощность источника теплоты при электрошлаковой сварке всегда меньше q0, так как она не включает часть теплоты, теряемой шлаковой ванной на теплоотдачу в окружающую среду и в формирующее устройство (рис. 2-15). Теплота поступает в из-
Рис. 2-14. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:Рис. 2-14. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:а — открытая дуга небольшой мощности; б — дуга большой мощности под слоем флюсаа — открытая дуга небольшой мощности; б — дуга большой мощности под слоем флюсаделие с расплавленным электродным металлом и в результате конвективного теплообмена между шлаковой ванной и поверхностью основного металла.
Рис. 2-14. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:
Рис. 2-14. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:
а — открытая дуга небольшой мощности; б — дуга большой мощности под слоем флюса
а — открытая дуга небольшой мощности; б — дуга большой мощности под слоем флюса
Перенос теплоты в ванне приближенно можно представить следующей схемой. Сварочный ток в основном проходит через зону шлаковой ванны, ограниченную усеченным конусом, верхнее основание которого имеет диаметр электрода (активный конус шлаковой ванны). Максимальная температура этой зоны более 2000° С. По мере приближения к металлической ванне температура активной зоны несколько снижается вследствие уменьшения плотности тока и наличия интенсивных конвективных потоков.
Металлическая ванна аккумулирует значительную долю теплоты, выделяемой в шлаковой ванне. Таким образом, по сравнению с дуговой сваркой при электрошлаковой сварке в передаче теплоты от источника нагрева к основному металлу участвуют значительные массы жидкой среды (расплавленного шлака и металла), распределение теплоты в которой в большой степени определяется конвективными потоками.
Рис. 2-15. Тепловой баланс электрошлаковой сварки стали толщиной ~100 мм:
— плавление проволоки, 2 — плавление основного металла,
— потери на излучение;
— нагрев кромок излучением;
— перегрев металла ванны;
— нагрев ползунов шлаком, 7 — нагрев ползунов метал-
Электроннолучевая сварка. Энергия или мощность электронного луча, выходящего из электромагнитной системы Ц7Св, может быть представлена в виде суммы
^с==^о. = +^и,
где Го с — потери теплоты в оптической системе; 1РИ — энергия, подведенная к изделию и составляющая примерно 75—90%* всей подводимой энергии WCB.
Энергия IFCB равна
^св =
где 1 — сила тока пучка электронов, мА; U — ускоряющее напряжение, кВ.
Эффективность нагрева изделия существенным образом зависит от уноса энергии, обусловленного испарением материала изделия, отражением излучения в окружающую среду, вторичной и термоэлектронной эмиссией электронов, а также электромагнитным излучением. Электроннолучевая сварка характеризуется весьма малыми размерами пятна нагрева (до 10~5 мм2), значительно меньшими, чем у сварочной дуги (около 1 мм2). С увеличением плотности подводимой энергии возрастают потери теплоты, связанные с испарением металла в зоне нагрева. Это определяет границу предельной интенсивности для электронного луча при сварке плавлением примерно в пределах 102—104 кВт/см2.
Характерным для электроннолучевой сварки является глубинный подвод тепловой энергии к свариваемому изделию. Последнее объясняется свойством электронов луча проникать на определенную глубину (пробег электрона), теряя энергию на всем пути торможения. Значительное влияние на глубинный характер источника нагрева при электроннолучевой сварке оказывает давление луча, способствующее вытеснению жидкого металла из зоны активного пятна. Давление луча на жидкий металл в 5—10 раз превышает давление дуги при аргоно-дуговой сварке в сходных условиях и обусловливается испарением металла.
Сварка лазерным лучом. Эффективный к. п. д. нагрева изделия при лазерной сварке весьма невелик, что вызвано главным образом низким к. п. д. лампы накачки и кристалла рубина. Баланс энергии лазера при сварке ясен из рис. 2-16.
Рассмотренные выше источники теплоты являются наиболее характерными, однако далеко не исчерпывают возможных типов источников, используемых при сварке плавлением. При сварке плавлением теплота не только подводится к изделию, но и непрерывно отводится от него. Это происходит за счет естественных и искусственных стоков теплоты. Естественными являются стоки теплоты, связанные с излучением и конвекцией от нагретой поверхности изделия в окружающую среду. Искусственные стоки осуществляются путем специальных технологических мер, заключающихся, например, в создании интенсивного конвективного
Рис. 2-16. Тепловой баланс лазера:
/ — потери в лампе накачки;
2 — потери в оптической системе;
3 — потери иа унос материала и отражение лучей;
4 — полезная энергия иа проплавление материала
теплообмена между определенными участками поверхности изделия и охлаждающей жидкой либо газообразной средой.
При теплообмене излучением теплота переносится между удаленными друг от друга нагреваемой деталью ?и окружающими
предметами посредством электромагнитного излучения в соответствии с законом Стефана-Больцмана, т. е. тепловой поток пропорционален разности четвертых степеней абсолютных температур поверхностей, участвующих в теплообмене. При конвективном теплообмене теплота с поверхности изделия уносится жидкостью или газом, движение которых создается принудительно, а при естественной конвекции это движение обусловлено различием в плотности нагретых и ненагретых объемов.
Величину теплового потока конвективного теплообмена </к между поверхностью тела с температурой Т и охлаждающей средой с температурой Тс оценивают по правилу Ньютона:
9к = «к(Г-Тс),(2-12)
где ак — коэффициент конвективной теплоотдачи, определяемый экспериментально.
В обычных условиях сварки при отсутствии заметных воздушных потоков величина ак составляет примерно 0,002— 0,005 Вт/см2° С. Выражение (2-12) часто используют и для описания общей суммарной теплоотдачи с поверхности изделия путем лучеиспускания и конвекции. Это возможно, поскольку погрешность от такого описания существенно проявляется только в зоне, нагретой выше 700—800’ С, где радиационные тепловые потоки значительно превышают конвективные. При температурах поверхности 400° С и ниже роль лучеиспускания в теплоотдаче по сравнению с конвекцией невелика.
Распространение теплоты в изделии происходит преимущественно по законам теплопроводности, хотя определенное влияние на перенос теплоты вблизи сварочной ванны оказывают конвективные потоки в жидком металле. Их роль тем сильнее, чем больше объем сварочной ванны.
Конвективные потоки в жидком металле сварочной ванны приводят к достаточно сложным перераспределениям подводимой тепловой мощности в пространстве и времени. Для понимания
60
особенностей распространения теплоты в изделии разъясним сущность принципов местного и временного влияния. В соответствии с принципом местного влияния характер распределения теплоты в теплопроводящем теле в пределах некоторой области с характерным размером а практически не оказывает влияния на температуру в зоне, удаленной от центра указанной области на расстояние больше (2-3) а. Принцип временного влияния утверждает следующее: «характер распределения тепловой мощности во времени на отрезке А/ = Д — tx оказывает незначительное влияние на температуру теплопроводящего тела, обладающего достаточно высокой теплоемкостью, для времени / > /2 + (2-4-3) А/».
На основе указанных принципов местного и временного влияния можно считать, что особенности тепло- и массопереноса в жидком металле сварочной ванны, так же как и кратковременные отклонения эффективной мощности источника от среднего значения, оказывают ограниченное влияние на температурное поле и только в основном вблизи мгновенного положения сварочной ванны.
Анализ температурного поля в изделии при движении источника сварочного нагрева обычно принято производить в системе пространственных координат, перемещающейся с источником сварочного нагрева. Это удобно, поскольку через некоторый период времени от начала движения при постоянной скорости и эффективной тепловой мощности сварки наступает так называемое квази- стационарное состояние, когда подвижное температурное поле практически не меняется.
Длительность наступления квазистационарного состояния (длительность периода теплонасыщения) зависит от скорости сварки, расстояния рассматриваемого объема от источника нагрева и интенсивности отвода теплоты от него. Период теплонасыщения сокращается с уменьшением расстояния от источника нагрева, увеличением скорости сварки и теплопроводности материала, ростом массы изделия и интенсивности отдачи теплоты в окружающую среду, а также с уменьшением теплоемкости материала. На рис. 2-17 и 2-18 приведены изолинии температурного поля предельного (квазистационарного) состояния в тонкой пластине в зависимости от режима сварки (рис. 2-17) и теплофизических свойств материала (рис. 2-18).
Результаты исследования такого типа данных показывают следующее. При постоянной эффективной мощности соответствующие определенным температурам изотермы уменьшаются по длине и ширине примерно пропорционально увеличению скорости сварки и. С возрастанием эффективной мощности источника q нагретые выше определенной температуры области увеличиваются быстрее по длине, чем по ширине. Однако увеличение по ширине опережает рост величин q. Одновременное увеличение q и и при постоянной погонной энергии qlv сварки приводит в основном к увеличению длины изотерм. Ширина изотерм также увеличивается, но стремится к определенному пределу. Увеличение теп-
у, CM
, д= адооДж/с v — 0,2 см)с
1 1 — 000°
—1
200 ° С
Г
—
ООО L '
।1/
ООО0"
q = 0000 Дж 1с > = / см!с ,
Ж
МО
ООО
ь
г Т/
00 ° с
11
а)У, см
200 °C
11
V800 °C
q = 0000Дж/с ^ = 0,5 см)с
ООО0
ООО0-
X
Рис. 2-17. Влияние режима сварки на температурное поле квазистационар- ного состояния в стальной пластине толщиной 1 см; X = 0,38 Вт/см, су = 4,8 Дж/см3-град, а = 0,08 см2/с.
а — изменение скорости сварки о;
б — изменение мощности источника теплоты q, в — изменение мощности и скорости при q[v = const
Рис. 2-18. Влияние теплофизических свойств материала на характер температурного поля в пластине толщиной 1 см, q = 4200 Вт, и = 0,2 см/с: а — сталь низкоуглеродистая,в — алюминий, Х=2,7 Вт/см-град,
Х = 0,38 Вт/см* град,а = 1,0 см2/с,
а — 0,08 см2/с,г — медь, X = 4,2 Вт/см* град,
б — сталь хромоникелевая,а = 0,95 см3/с
Х=0,25 Вт/см* град, а = 0,053 см2/с,
лопроводности материала, при прочих равных условиях, способствует заметному укорочению изотерм и некоторому их сужению. Уменьшение теплоемкости металла су оказывает примерно такое же влияние, как и уменьшение скорости сварки.
Для массивных тел влияние перечисленных параметров режима сварки и свойств материала на температурное поле квази- стационарного состояния качественно такое же, как и при сварке пластин. Однако, в отличие от сварки пластин, изменение скорости сварки в основном влияет только на ширину изотерм, а не на их длину.
Термический цикл. Изменение температуры данной точки тела во времени называется термическим циклом. При однопроходной сварке (наплавке) имеет место простой термический цикл, цока-
63
Рис. 2-19. Схемы сварочных циклов: а — простого, б — сложного
занный на рис. 2-19, а. При многопроходной сварке термический цикл сложный (рис. 2-19, б). Основными параметрами простого термического цикла являются максимальная температура, скорость нагрева и скорость охлаждения, а также длительность пребывания материала выше заданной температуры. Эти характеристики зависят от режима сварки, теплофизических свойств материала, конфигурации изделия, условий его охлаждения, температуры предварительного подогрева.
Заметное влияние на термические циклы металла шва и около- шовной зоны оказывает также и способ сварки, особенно, если сравниваются электрошлаковая и дуговая сварка или же сварка электронным лучом. На рис. 2-20 приведены характерные термические циклы для околошовной зоны с максимальной температурой нагрева 1300° С при сварке стального изделия. Кривая 1 относится к однопроходной электрошлаковой сварке пластин толщиной 100 мм на режиме /св = 450 A, U = 38—40 В, и = 0,7 м/ч;
Рис. 2-20. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны
64
и массивности изделия на температурные циклы в околошовной зоне дают кривые на рис. 2-21, а и б, относящиеся соответственнои массивности изделия на температурные циклы в околошовной зоне дают кривые на рис. 2-21, а и б, относящиеся соответственносвойств материаласвойств материалак однопроходной дуговой сварке тонких пластин (6 = 12 мм) и многослойной дуговой сварке толстых пластин (6 = 100 мм) из перлитной (кривая /) и аустенитной (кривая 2) сталей прик однопроходной дуговой сварке тонких пластин (6 = 12 мм) и многослойной дуговой сварке толстых пластин (6 = 100 мм) из перлитной (кривая /) и аустенитной (кривая 2) сталей примерно на одном и том же тепловом режиме, характеризуемом величиной эффективной тепловой энергии q = 4050 кал/с и скоростью сварки и = 16 м/ч.Из этих данных следует, что снижение теплопроводности материала уменьшает скорость изменения температуры точек около-мерно на одном и том же тепловом режиме, характеризуемом величиной эффективной тепловой энергии q = 4050 кал/с и скоростью сварки и = 16 м/ч.Из этих данных следует, что снижение теплопроводности материала уменьшает скорость изменения температуры точек около-5)5)Рис. 2-21. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны при однопроходной сварке тонких пластин (а) и многопроходной сварке толстых пластин (б) из перлитной стали (7) и аустенитной стали (2)Рис. 2-21. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны при однопроходной сварке тонких пластин (а) и многопроходной сварке толстых пластин (б) из перлитной стали (7) и аустенитной стали (2)
и массивности изделия на температурные циклы в околошовной зоне дают кривые на рис. 2-21, а и б, относящиеся соответственно
и массивности изделия на температурные циклы в околошовной зоне дают кривые на рис. 2-21, а и б, относящиеся соответственно
свойств материала
свойств материала
к однопроходной дуговой сварке тонких пластин (6 = 12 мм) и многослойной дуговой сварке толстых пластин (6 = 100 мм) из перлитной (кривая /) и аустенитной (кривая 2) сталей при
к однопроходной дуговой сварке тонких пластин (6 = 12 мм) и многослойной дуговой сварке толстых пластин (6 = 100 мм) из перлитной (кривая /) и аустенитной (кривая 2) сталей при
мерно на одном и том же тепловом режиме, характеризуемом величиной эффективной тепловой энергии q = 4050 кал/с и скоростью сварки и = 16 м/ч.
Из этих данных следует, что снижение теплопроводности материала уменьшает скорость изменения температуры точек около-
мерно на одном и том же тепловом режиме, характеризуемом величиной эффективной тепловой энергии q = 4050 кал/с и скоростью сварки и = 16 м/ч.
Из этих данных следует, что снижение теплопроводности материала уменьшает скорость изменения температуры точек около-
5)
5)
Рис. 2-21. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны при однопроходной сварке тонких пластин (а) и многопроходной сварке толстых пластин (б) из перлитной стали (7) и аустенитной стали (2)
Рис. 2-21. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны при однопроходной сварке тонких пластин (а) и многопроходной сварке толстых пластин (б) из перлитной стали (7) и аустенитной стали (2)
кривая 2 соответствует электро- дуговой сварке под флюсом стальной пластины толщиной 12 мм на режиме /св = 730 А, U = 46 В, и = 40,5 м/ч (сварка без разделки кромок с двух сторон); кривая 3 соответствует электроннолучевой сварке такой же пластины на режиме /св = 250 мА, U = 30 кВ; и = = 24 м/ч. В табл. 2-5 приведены данные о мгновенных скоростях охлаждения при температуре 500°С и длительностях выдержки металла (в рассматриваемом участке околошовной зоны Тшах = 1300° С) при температурах выше 1000° С для указанных способов сварки.
Представление о влиянии те
Таблица 2-5
Сравнение термических циклов сварки стальных пластин толщиной 100 мм
Способ сварки
Мгновенная скорость охлаждения при 500° С, °С/с
Длительность выдержки при температурах выше 1000° С, с
Электро- шлаковая
0,4
175
Дуговая под флюсом
4,3
14,5
Электроннолучевая
40
1,5
шовной зоны как на стадии нагрева, так и особенно на стадии охлаждения. Этот эффект несколько повышается с увеличением толщины (массивности) свариваемых изделий. Значительное влияние на температурные циклы точек околошовной зоны при одинаковом режиме сварки оказывает массивность изделия.
Широкое применение для оценки основных параметров термического цикла точек околошовной зоны получили расчетные методы теории тепловых процессов при сварке. Подробное изложение этих методов дано в специальной литературе. Ниже приведены расчетные зависимости для двух характерных случаев сварочного нагрева: тонкой пластины и массивного тела.
Тонкая пластина. Максимальные температуры Ттах в околошовной зоне на расстоянии у от центра шва могут быть приближенно оценены с помощью следующей зависимости:
rn _m I <7/0-0,478 ау \2
max — 1 0 + Y.2y Хб / ’
где То — начальная температура пластины; qiu — эффективная погонная энергия; у — объемная теплоемкость; 6 — толщина пластины; X — теплопроводность пластины; а —- коэффициент поверхностной теплоотдачи.
Из рис. 2-24 следует, что при малых произведениях az/ максимальная температура прямо пропорциональна удельным тепло- вложениям q/иб и обратно пропорциональна теплоемкости и расстоянию от оси шва. Мгновенная скорость охлаждения металла шва и прилегающей околошовной зоны при данной температуре Т
w = — 2лЛуw = — 2лЛу(Т - т^(?М)2 ‘(Т - т^(?М)2 ‘
w = — 2лЛу
w = — 2лЛу
(Т - т^
(?М)2 ‘
(Т - т^
(?М)2 ‘
Длительность пребывания металла шва выше заданной температуры Т приближенно можно оценить из выражения
/ _! f 4 V
н 4ла (7 — 70)3 \ гбсу / "
-^5- в зависимости от безразмерной-^5- в зависимости от безразмернойДля околошовной зоны (z/ + 0) величину времени /н можно оценить по номограмме на рис. 2-22, где приведено значение без-
-^5- в зависимости от безразмерной
-^5- в зависимости от безразмерной
размерного критерия т3 = температуры ^i
—-—- ууубил—-—- ууубил
—-—- ууубил
—-—- ууубил
(использована принятая в теории тепловых процессов индексация, при которой индекс 1 относится к стержням, 2 — к пластине, 3 — к массивному изделию).
Массивное тело. Рассмотрим полубесконечное тело (г > 0). Максимальные температуры в околошовной зоне на расстоянии
Рис. 2-22.Рис. 2-22.вать зависимость tвать зависимость t2лХу (Т — 70)2лХу (Т — 70)Номограмма для определения 4н и /дн- Кривая 1 соответствует зависимости т2Н от ^з, а 2 — тзн OTtig. При f>2< < 0,24 можно использоНомограмма для определения 4н и /дн- Кривая 1 соответствует зависимости т2Н от ^з, а 2 — тзн OTtig. При f>2< < 0,24 можно использо(д/у^бу8— 4па(7 —70)2’ 3 ПриО3 < 0,06 /зн =(д/у^бу8— 4па(7 —70)2’ 3 ПриО3 < 0,06 /зн =
Рис. 2-22.
Рис. 2-22.
вать зависимость t
вать зависимость t
2лХу (Т — 70)
2лХу (Т — 70)
Номограмма для определения 4н и /дн- Кривая 1 соответствует зависимости т2Н от ^з, а 2 — тзн OTtig. При f>2< < 0,24 можно использо
Номограмма для определения 4н и /дн- Кривая 1 соответствует зависимости т2Н от ^з, а 2 — тзн OTtig. При f>2< < 0,24 можно использо
(д/у^бу8
— 4па(7 —70)2’ 3 При
О3 < 0,06 /зн =
(д/у^бу8
— 4па(7 —70)2’ 3 При
О3 < 0,06 /зн =
г = Ух2-у у2 от оси шва на поверхности тела (z = 0) приближенно можно определить, используя зависимость
т — т 0,368 . 2?
max 0 Т лг2у у 1
В отличие от тонкой пластины в случае массивного тела максимальные температуры обратно пропорциональны квадрату расстояния от оси шва. Мгновенная скорость охлаждения металла шва и прилегающей околошовной зоны при температуре Т
= — (2-13)
т. е. в сходных условиях скорости охлаждения в массивном теле превышают скорости охлаждения в тонкой пластине при температуре Т в п раз, где
п5
~ Уу62(7-70) •
Длительность пребывания металла шва выше заданной температуры определяют из выражения, аналогичного зависимости (2-13):
t =?
и 2лХи (7 — 70) ’
т. е. время /н в п!2 раз более короткое, чем для тонких пластин в сходных условиях.
Для околошовной зоны (г + 0) время fH можно оценить по номограмме на рис. 2-22, где приведено значение безразмерного критерия т3 = -^- в зависимости от безразмерной температуры:
$3 = ——- лгу.
При многослойной сварке или наплавке поверхностей смежными валиками тепловые воздействия отдельных слоев (соседних валиков) складываются и создают сложный термический цикл для точек околошовной зоны. Режим такой сварки является более гибким, поскольку он содержит большее число независимых параметров. Например, при многослойной наплавке режим содержит три независимых параметра, варьируя которыми, можно регулировать термические циклы в широких пределах. Такими параметрами являются погонная энергия отдельных слоев, длина участка и температура дополнительного подогрева.
§ 2-6. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке
Характер плавления и переноса электродного металла оказывает большое влияние на производительность сварки, взаимодействие металла со шлаком и газами; от него зависят устойчивость горения дуги, потери металла, формирование шва и другие технологические факторы.
Плавление электрода. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная или массовая скорости плавления, измеряемые длиной или массой расплавленного электрода (проволоки) в единицу времени. Скорость плавления зависит от состава сварочной проволоки, покрытия, флюса, защитного газа, режима сварки, плотности и полярности тока, вылета электрода и ряда других факторов. Но и для одних и тех же условий сварки скорость плавления электрода не остается постоянной, а может постепенно изменяться. Поэтому на практике используют в качестве характеристики среднюю скорость плавления электрода, которая обычно определяется за некоторый произвольный, но значительно превосходящий длительность периода капельного перехода промежуток времени.
Поскольку средняя скорость плавления сильно зависит от режима сварки, при оценке влияния различных факторов на плавление электрода иногда удобнее пользоваться удельным (отнесенным к единице тока) значением этой характеристики, получившим название коэффициента расплавления. Скорость плавления электрода Gp связана с коэффициентом расплавления ар выражением
Gp = кар1,
где к — коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.
Важнейшими показателями, характеризующими процесс плавления электрода, являются также коэффициент наплавки ан и коэффициент потерь ф. Коэффициент наплавки, как и коэффициент расплавления, представляет собой удельное значение скорости
68
Наплавки. Скорость наПЛавки 6Н связана с коэффиЦиён^бм ЙЗ- плавки выражением
GH = кан1.
Коэффициент потерь характеризует относительные потери электродного металла на угар и разбрызгивание и определяется из выражения
ф = ^р ~;(2-14)
gp
где gp и §„ — соответственно массы расплавленного и наплавленного металла.
Выражение (2-14) справедливо лишь для электродов, не содержащих металлических присадок (железного порошка или ферросплавов) в покрытии.
При наличии металлических присадок в покрытии коэффициент ф может получать отрицательные значения. В таких случаях он представляет собой разность между количеством потерянного металла и количеством металла, перешедшего из покрытия. Для электродов подобного типа суммарный коэффициент потерь можно определить из выражения
_ (gCT + gnp) gH |g„
gcT + gnpger + gnp ’
где gCT — масса расплавленного металла стержня; gn — масса присадок металла из покрытия.
С помощью рассмотренных показателей можно определить такие характеристики, как выход наплавленного металла кс и выход годного металла кэ.
Выход наплавленного металла кс представляет собой отношение массы наплавленного металла к массе расплавленной части электродного стержня:
к = g” * ансgP “р '
Для электродов с металлическими присадками в покрытии этот показатель может быть значительно больше единицы (или больше 100%).
Выход годного металла кэ представляет собой отношение массы наплавленного металла к массе расплавленной части электрода:
L _ gH __ «И
3 gsар 0 + ^п) ’
где §э — масса расплавленной части электрода; кп — коэффициент массы покрытия, представляющий собой отношение массы покрытия к массе покрытой части электродного стержня.
Скорость плавления электрода при всех способах дуговой сварки плавящихся электродом возрастает с увеличением силы
69
тока (рис. 2-23). В широком диапазоне режимов наблюдается пропорциональность между скоростью плавления электрода и силой сварочного тока. Однако в области малых и больших токов пропорциональность нарушается, что связано с изменением энергетических характеристик дуги, размера активных пятен и плотностей тока в них, нагревом электрода током. Увеличение скорости плавления электрода при больших плотностях тока вызвано также подогревом стержня электрода проходящим током. Нагрев элек
трода на вылете пропорционален квадрату силы тока, сопротив
лению проволоки и длине вылета.
Скорость плавления электрода в основном определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При сварке на обратной полярности коэффициент расплавления практически не зависит от состава проволоки, покрытия, флюса или защитного газа. При сварке же на прямой полярности коэффициент расплавления изме
няется в широких пределах в зависимости от состава и состояния поверхности проволоки, составов покрытия, флюса или защитного газа (рис. 2-24). Соответственно изменяется и напряжение дуги. В практике обычно пользуются значением номинального напряжения дуги UH — напряжения, характерного для данной марки электрода, проволоки, флюса или защитного газа при рабочей
длине дуги.
Скорость плавления электрода можно регулировать, изменяя силу тока или величину катодного падения напряжения. Возможность увеличения скорости плавления покрытых электродов за 'счет увеличения силы тока
Рис. 2-23. Влияние силы тока на скорость расплавления электрода; электрод с рутиловым покрытием, ток постоянный прямой полярности (К- Джексон)Рис. 2-23. Влияние силы тока на скорость расплавления электрода; электрод с рутиловым покрытием, ток постоянный прямой полярности (К- Джексон)Рис. 2-24. Зависимость коэффициента расплавления от номинального напряжения дуги при сварке на прямой (П/7) и обратной (0/7) полярности (А. А. Ерохин)Рис. 2-24. Зависимость коэффициента расплавления от номинального напряжения дуги при сварке на прямой (П/7) и обратной (0/7) полярности (А. А. Ерохин)ограничена в связи с перегревом стержня электрода. При автоматических и полуавтоматических способах сварки это
Рис. 2-23. Влияние силы тока на скорость расплавления электрода; электрод с рутиловым покрытием, ток постоянный прямой полярности (К- Джексон)
Рис. 2-23. Влияние силы тока на скорость расплавления электрода; электрод с рутиловым покрытием, ток постоянный прямой полярности (К- Джексон)
Рис. 2-24. Зависимость коэффициента расплавления от номинального напряжения дуги при сварке на прямой (П/7) и обратной (0/7) полярности (А. А. Ерохин)
Рис. 2-24. Зависимость коэффициента расплавления от номинального напряжения дуги при сварке на прямой (П/7) и обратной (0/7) полярности (А. А. Ерохин)
ограничение менее существенно из-за малых вылетов проволоки.
Введение в проволоку, покрытие или флюс веществ, повышающих катодное падение напряжения (а следовательно, и номинальное напряжение дуги), способствует повышению скорости плавления проволоки на прямой полярности. Изменение состава защитного газа оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость плавления проволоки. Нанесение на сварочную проволоку небольших количеств солей щелочных или щелочноземельных металлов резко понижает скорость плавления катода. Это явление иногда используется для так называемого активирования проволоки с целью замедления скорости плавления и получения мелкокапельного переноса металла на прямой полярности.
При сварке покрытыми электродами скорость плавления электрода зависит и от толщины покрытия. Утолщение покрытия приводит к дополнительным затратам теплоты на его плавление, а также к увеличению мощности, выделяемой в столбе дуги. У электродов без металлических добавок в покрытии увеличение толщины покрытия ведет к бесполезным затратам на его плавление. Вводя в покрытие металлические добавки или железный порошок, можно существенно увеличить скорость наплавки. Увеличение толщины покрытия и повышение содержания в нем железного порошка позволяют значительно повысить плотность тока без опасения перегрева стержня электрода. Все эти факторы способствуют увеличению производительности сварки.
Основные показатели переноса электродного металла. При плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла. Большая удельная поверхность и высокие температуры капель при дуговой сварке плавлением способствуют интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой. Поэтому характер переноса электродного металла оказывает значительное влияние на кинетику процессов взаимодействия металла со шлаком и газами.
Основными показателями, характеризующими процесс переноса электродного металла через дуговой промежуток, являются wK — масса капли на торце электрода перед переходом, т0 —■ масса остающейся на электроде части капли, р — масса переходящей части капли, т — время между переходом отдельных капель (время роста капли), N — частота перехода капель, р = -^- и £ = тк
_ р...
——соответственно доли оставшейся на торце электрода и
оторвавшейся части капли.
Полнота протекания реакций взаимодействия металла капли с окружающей средой зависит от удельной поверхности капли (отношения площади поверхности капли к ее массе) и времени взаимодействия. При установившемся процессе сварки масса капли в момент перед очередным переходом равна;
^к = ^о + Р’
7L
Средняя масса капли жидкого металла тср, существующей на торце электрода в течение времени т, определяется выражением
^ср то Т" 2 "
Для кинетических расчетов пользуются усредненным по массе капли временем взаимодействия тк, которое определяется из выражения
/ то , 1 \
Данные о характере плавления и переноса электродного металла при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов получают с помощью скоростной киносъемки, а при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом —■ с помощью скоростной рентгеновской киносъемки.
Силы, действующие на каплю. Характер переноса электродного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю металла на торце электрода. Основные из них: сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, электростатическая сила, сила реактивного давления паров и нейтрализовавшихся на катоде ионов, аэродинамическая сила. Величины отдельных сил и направление их равнодействующей зависят от режима сварки, полярности тока, состава электродного металла и газовой среды, состояния поверхности проволоки и ее диаметра.
Общепризнано, что сила тяжести оказывает существенное влияние на перенос металла лишь при сварке на малых токах. Роль силы тяжести в переносе электродного металла зависит от положения электрода в пространстве. При сварке в нижнем положении она способствует переходу капли в ванну, а в потолочном положении —■ удержанию ее на торце электрода.
Сила поверхностного натяжения удерживает каплю на торце электрода. Она определяется величиной поверхностного (межфазного) натяжения на границе металл—газ или на границе металл— шлак и геометрическими параметрами капли:
п 2ст
* а — ^ ЯГ о >
где ст —■ коэффициент поверхностного натяжения, эрг/см2; го — радиус электрода, см; R — радиус кривизны поверхности капли, см.
По мере увеличения размеров капли сила поверхностного натяжения уменьшается.
Величина поверхностного натяжения жидкого металла ст оказывает существенное влияние на характер переноса электродного металла. Увеличение поверхностного натяжения, при прочих равных условиях, способствует увеличению размеров капель, об-
72
разующихся на торце электрода и переносимых через дуговой промежуток.
Величина поверхностного натяжения жидкого металла зависит от его химического состава и температуры. Наличие небольших количеств поверхностно-активных веществ может привести к значительному снижению поверхностного натяжения. Наибольшей поверхностной активностью в жидкой стали обладают кислород и сера. Поэтому различные технологические факторы, оказывающие влияние на содержание этих примесей в металле (степень раскисленности металла, состав шлака и др ), оказывают воздействие на характер переноса металла. Увеличение температуры капель приводит к снижению поверхностного натяжения сплавов на основе железа и может способствовать уменьшению размера переносимых капель.
Значительное влияние на перенос металла оказывает электромагнитная сила. Она обусловлена взаимодействием проводника с током и магнитного поля, создаваемого этим током. При протекании тока через проводник, каковыми являются капля жидкого металла и столб дуги, возникают силы, которые стремятся деформировать проводник в радиальном направлении. Величина силы сжатия пропорциональна квадрату силы тока. Если сечение проводника переменное (в случае сварки плавящимся электродом, включающее электрод—каплю—активное пятно—столб дуги), то возникает осевая составляющая электромагнитной силы, направленная от меньшего сечения к большему. Если размеры активного пятна меньше, чем диаметр электрода (шейки), то осевая сила будет препятствовать переносу, и наоборот (рис. 2-25).
Величина осевой силы определяется формулой (В. И. Дятлов)
Р = А12( 1+2,3 lg-М = АР ( 1+4,6 lg-М,\^СТ /\'Э /
где А — коэффициент пропорциональности, равный 0,005 дин/А2; гэ и zCT — плотность тока в электроде и столбе, А/см2; гст и гэ —■ радиусы столба дуги и электрода, см.
Электростатическая сила Рэ равна произведению индуцированного поверхностного заряда и напряженности поля, созда-
Рис. 2-25.
Направление осевой составляющей электромагнитной силы в зависимости от соотношения площадей активного пятна на поверхности капли и сечения шейки:
/ — осевая составляющая электродинамической силы,
— активное пятно,
— столб дуги,
капля,
— электрод,
— расхождение линий тока;
— схождение линий тока
ваемой на поверхности электрода объемным зарядом. Эта сила приложена перпендикулярно поверхности активного пятна и направлена в сторону столба дуги. Действие электростатической силы частично компенсируется силой ионного давления. Однако, как показывают расчеты, нескомпенсированная электростатическая сила по величине не уступает другим силам, действующим на каплю.
Одной из важных сил, оказывающих влияние на характер переноса металла, является реактивное давление паров. Испарение металла с поверхности капли и химическое взаимодействие жидкого металла со шлаком или газовой фазой, вызывающее образование и выделение газа, приводят к возникновению реактивных сил. Испарение металла происходит главным образом в области активных пятен. Считают, что равнодействующая реактивных сил приложена к центру активного пятна. Перемещение пятен вызывает изменение положения места приложения реактивных сил и значительную подвижность капель.
Величина реактивных сил Рп (дин/см2) зависит от размеров активных пятен, плотности тока в них, от теплофизических свойств материала электрода и может быть приближенно рассчитана по уравнению (В. И. Дятлов)
р / DUala. п V тП \& У К ’
i
где/)— коэффициент пропорциональности, равный3,02• 10~3А 2 ’ U3 — эффективное падение напряжения у электрода, В; gn— скрытая теплота испарения, Вт-с/г; ia-n— плотность в активном пятне, А/см2; пк ■— удельный объем пара металла при температуре кипения, см3/г.
Поскольку плотность тока в катодном пятне значительно выше, чем в анодном, влияние реактивного давления в большей мере проявляется на прямой полярности. Сжатие дуги приводит к увеличению плотности тока в пятнах, что вызывает повышение реактивного давления паров.
В металлах с высоким давлением паров (магний, цинк, кадмий) отталкивание капель реактивными силами наблюдается на обеих полярностях, а в металлах с низким давлением паров — главным образом на прямой полярности.
При сварке на прямой полярности реактивное давление ионов, нейтрализующихся на поверхности катода, может оказывать некоторое влияние на характер переноса металла.
Роль аэродинамической силы проявляется в тех случаях, когда возникают мощные плазменные (газовые) потоки. Величина аэродинамической силы определяется аэродинамическим торможением капли в газовом потоке и магнито-кинетическими силами, обусловленными несбалансированностью гидростатического давления внутри капли и на поверхности раздела жидкость—газ. Сила аэро-
74
действующих на каплю,действующих на каплю,Рис. 2-26. Влияние силы тока на время между переходами т капель с торца электрода в ванну; электроды УОНИ-13/45, обратная полярность, UR = 26-ь 28 В
действующих на каплю,
действующих на каплю,
динамического торможения пропорциональна плотности газа, его скорости и эффективной площади сечения капли, спроектированной на направление газового потока.
В зависимости от соотношения сил
характер переноса электродного металла может существенно изменяться. Рассмотрим особенности переноса электродного металла при различных способах дуговой сварки.
Сварка покрытыми электродами. При сварке покрытыми электродами наблюдается несколько типов переноса: крупнокапельный, мелкокапельный, туманообразный. Тип переноса зависит
от состава и толщины покрытия, режима сварки, рода тока и полярности.
Для электродов с фтористо-кальциевым покрытием характерен крупнокапельный перенос металла в широком диапазоне режимов сварки. Такой характер переноса обусловлен, во-первых, высоким поверхностным натяжением металла на границе со шлаком, поскольку и шлак, и металл хорошо раскислены, и, во-вторых, действием электромагнитной силы. В атмосфере дуги при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием содержится около 30 об. % СО2. Диссоциация СО2 вызывает сжатие столба дуги и активных пятен. В связи с этим осевая составляющая электромагнитной силы препятствует отрыву капель. Увеличение силы тока приводит к уменьшению как времени между переходами отдельных капель т (рис. 2-26), так и усредненного времени взаимодействия металла и шлака тк.
При малом напряжении (короткая дуга) перенос металла может осуществляться путем коротких замыканий, поскольку свободный рост капель затруднен. В момент коротких замыканий происходит перетекание металла с торца электрода в ванну. С удлинением дуги масса переносимых капель увеличивается, так как создаются условия для свободного роста капли на торце электрода. Дальнейшее удлинение дуги приводит к увеличению парциального давления кислорода за счет подсоса воздуха, что вызывает окисление металла и снижение его поверхностного натяжения. Эти обстоятельства приводят к уменьшению тк, р и т. Изменение состава фтористо-кальциевого покрытия не оказывает существенного влияния на характер переноса.
Для сварки электродами с рудно-кислым и рутиловым покрытиями характерен мелкокапельный перенос. Малый размер капель обусловлен сравнительно низким межфазным натяжением на
1 1>1'и6 7 8 9 10 11 12 13 1Л!^г1 1>1'и6 7 8 9 10 11 12 13 1Л!^г
1 1>1'и
6 7 8 9 10 11 12 13 1Л!^г
1 1>1'и
6 7 8 9 10 11 12 13 1Л!^г
границе металла со шлаком, поскольку шлак и металл содержат значительное количество кислорода. Размер капель при плавлении
электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями существенно зависит от силы тока. При очень малых плотностях тока металл переносится сравнительно крупными каплями. При увеличении плотности тока масса переносимых капель резко уменьшается. Уменьшается также время (тк) взаимодействия капли с окружающей средой (шлаком, газовой фазой). Этому способствуют более высокая температура капель и сравнительно низкое межфазное натяжение на границе металла со шлаком. При высоких плотностях тока наблюдается чрезвычайно мелкокапельный (так называемый туманообразный) перенос металла (рис. 2-27).
Изменение напряжения дуги в практически целесообразных
диапазонах не оказывает существенного влияния на перенос металла у электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями.
По характеру влияния коэффициента массы (толщины) покрытия электроды можно разбить на две группы. У рудно-кислых и рутиловых электродов с увеличением толщины покрытия наблюдается повышение содержания кислорода в каплях и уменьшение их размеров. Уменьшению размеров капель способствуют также аэродинамические силы. При увеличении толщины покрытия увеличиваются размеры втулочки из покрытия и поток газов приобретает более направленный характер. У фтористо-кальциевых электродов содержание кислорода в каплях с увеличением толщины покрытия снижается, что способствует увеличению размеров т,,гкапель. Таким образом, влия-
ние толщины покрытия определяется в основном содержанием кислорода в каплях, которое оказывает большое влияние на силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю на торце электрода.
Сварка под флюсом. При сварке под флюсом наблюдается капельный перенос металла. Перенос капель часто происходит в потоке шлака без непо-
Рис. 2-27. Влияние плотности, полярности и рода тока на показатели переноса и взаимодействия капель металла при сварке электродами с рутиловым покрытием (электроды АНО-4):
— обратная полярность;
— прямая полярность;
-— переменный ток
Рис. 2-28. Влияние силы тока:Рис. 2-28. Влияние силы тока:N переходя-N переходя-а — на массу РСр и число щих капель;/ — прямая полярность;а — на массу РСр и число щих капель;/ — прямая полярность;б — иа время взаимодействия капель t • IT = 40 В; флюс АН-20;2 — обратная полярностьб — иа время взаимодействия капель t • IT = 40 В; флюс АН-20;2 — обратная полярность
Рис. 2-28. Влияние силы тока:
Рис. 2-28. Влияние силы тока:
N переходя-
N переходя-
а — на массу РСр и число щих капель;
/ — прямая полярность;
а — на массу РСр и число щих капель;
/ — прямая полярность;
б — иа время взаимодействия капель t • IT = 40 В; флюс АН-20;
2 — обратная полярность
б — иа время взаимодействия капель t • IT = 40 В; флюс АН-20;
2 — обратная полярность
средственного контакта со столбом дуги. Капли могут также лететь внутри флюсового пузыря. Существенное влияние на характер переноса оказывают режимы сварки и полярность тока.
При сварке на обратной полярности с увеличением силы тока уменьшается масса переходящей части капли Рср и возрастает число переходящих капель N. Время взаимодействия капель с окружающей средой тср уменьшается. На больших токах дуговой промежуток мал и подвижная сварочная ванна захватывает капли металла на торце электрода, не давая им возможности достигнуть больших размеров. При сварке на прямой полярности масса переходящей части капель и число переходов с ростом силы тока изменяются мало. Объясняется это увеличением плотности тока в активном пятне и возрастанием действия сил реактивного давления паров, которые способствуют удержанию капли на торце электрода (рис. 2-28). Под действием этих сил капли на торце сильно деформируются и вытесняются иногда на его боковую поверхность.
С увеличением напряжения дуги при сварке на прямой и обратной полярности возрастает масса переходящей части капли Рср и снижается число переходящих капель N (рис. 2-29, а). Время между переходами т также растет (рис. 2-29, б). При удлинении дуги создаются более благоприятные условия для свободного роста капли; вероятность коротких замыканий и непосредственного перетекания металла в ванну снижается. Установлено, что протекание реакций между металлом и флюсом зависит от времени их взаимодействия на торце электрода.
Сварка в защитных газах. Наиболее полно особенности переноса металла изучены при сварке в аргоне. Для этого способа
77
Рис. 2-29. Влияние напряжения дуги: а — на массу РСр и число N переходящих капель;б —- иа время взаимодействия капель ткРис. 2-29. Влияние напряжения дуги: а — на массу РСр и число N переходящих капель;б —- иа время взаимодействия капель тк/ — прямая полярность, /св ^ 470 ч- 4- 550 А; 12 — обратная полярность, /= 610 ч-я-630 А, исв = 46 м/ч/ — прямая полярность, /св ^ 470 ч- 4- 550 А; 12 — обратная полярность, /= 610 ч-я-630 А, исв = 46 м/чсварки наиболее характерным является капельный перенос металла с монотонным снижением размеров капель по мере возрастания силы тока. При достижении определенного значения тока, называемого критическим, размер капель резко уменьшается и перенос становится струйным (рис. 2-30).
Рис. 2-29. Влияние напряжения дуги: а — на массу РСр и число N переходящих капель;
б —- иа время взаимодействия капель тк
Рис. 2-29. Влияние напряжения дуги: а — на массу РСр и число N переходящих капель;
б —- иа время взаимодействия капель тк
/ — прямая полярность, /св ^ 470 ч- 4- 550 А; 1
2 — обратная полярность, /= 610 ч-
я-630 А, исв = 46 м/ч
/ — прямая полярность, /св ^ 470 ч- 4- 550 А; 1
2 — обратная полярность, /= 610 ч-
я-630 А, исв = 46 м/ч
Изменение характера переноса связано с изменением соотношения сил, действующих на каплю. Увеличение силы тока приводит к возрастанию температуры жидкого металла на торце электрода. При достижении критического тока капли металла нагреваются до температуры кипения. Возрастание температуры жидкого металла приводит к значительному уменьшению силы поверхностного натяжения и увеличению испарения электродного металла. Повышение парциального давления паров металла в дуге способствует увеличению сечения столба дуги и размеров активных пятен. Благодаря увеличению размеров активного пятна на электроде осевая составляющая электромагнитной силы меняет направление и способствует отрыву капель. Величина этой силы с ростом тока возрастает. Уменьшение силы поверхностного натяжения и изменения направления и величины осевой составляющей электромагнитной силы являются основ-
Рис. 2-30. Влияние силы тока на диаметр капель электродного металла при сварке в аргоне, алюминиевая проволока диаметром 1,6 мм, полярность обратная (С. J. Соокзеу и др.)
Рис. 2-31. Изменения тока и напряжения дуги при импульсно-дуговой сварке
ной причиной изменения характера переноса при сварке в аргоне. Большое влияние на перенос оказывают и плазменные потоки, которые возникают в мощных дугах и направлены вдоль оси дуги.
Величина критического тока зависит от вылета и диаметра электрода: чем меньше диаметр электрода и больше вылет, тем меньше критический ток.
Если металл имеет высокую теплопроводность (алюминий, медь), размер капель уменьшается без изменения геометрии переноса. Если теплопроводность металла низкая, конец электрода приобретает коническую форму и металл стекает в виде струи, так как электромагнитные силы вынуждают жидкость течь вниз.
При очень большой величине и плотности тока наблюдается струйно-вращательный перенос металла. Его возникновение связывают с реактивным действием плазменного потока на электрод. В результате перегрева электрод размягчается по длине вылета и сила реакции струи изгибает его. При изгибе электрода изменяется направление струи и действие реактивной силы, что приводит к новому смещению электрода.
При аргоно-дуговой сварке швов в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях практически невозможно добиться направленного переноса металла. Зачастую при сварке в диапазоне докритических токов образовавшаяся на электроде крупная капля (при обрыве дуги либо при коротком замыкании) отделяется и летит вниз, не попадая в ванночку. В последние годы был разработан способ активного воздействия на процессы плавления и переноса электродного металла —• так называемый способ импульсно-дуговой сварки.
Сущность его заключается в том, что на дугу постоянного тока накладываются мощные кратковременные импульсы тока, обеспечивающие формирование капли на торце электрода и перенос ее на изделие (рис. 2-31). В промежутках между импульсами электрод плавится при небольшой силе сварочного тока. При наложении импульса тока большой величины резко возрастают электродинамические силы. Скачкообразно возрастающее радиальное усилие способствует почти мгновенному образованию шейки, а быстрое увеличение осевого усилия ведет к интенсивному перемещению капли вдоль оси электрода в направлении ванночки жидкого металла с последующим отрывом ее и переходом в ван-
ночку. Принудительный перенос может происходить при сварке во всех пространственных положениях.
Изменение состава защитного газа может привести к существенному изменению характера переноса. Перенос металла при сварке в углекислом газе совершенно отличен от переноса при сварке в аргоне. Он характерен переходом крупных капель. В зависимости от режимов сварки переход капель осуществляется с короткими замыканиями или без них.
Основной причиной такого переноса является сжатие столба дуги и активных пятен, вызванное диссоциацией углекислого газа. При этом возрастает действие отталкивающих сил реактивного давления паров и осевой составляющей электромагнитной силы, способствующих укрупнению капли и увеличению разбрызгивания металла. Потери металла от разбрызгивания зависят главным образом от режима сварки, диаметра проволоки и характеристик источника питания. С повышением напряжения дуги разбрызгивание повышается.
Большое влияние на величину разбрызгивания металла оказывают сила сварочного тока и диаметр проволоки (рис. 2-32). На малых токах (область Л на рис. 2-32) перенос металла осуществляется с короткими замыканиями. При этом потери металла определяются в основном динамическими свойствами источника питания — величиной тока короткого замыкания и темпом его нарастания. В диапазоне средних токов (область Б) часть капель переходит в ванну при коротких замыканиях дуги, а часть — без коротких замыканий. В этом диапазоне наблюдается максимум разбрызгивания за счет выброса крупных капель. В диапазоне больших токов (область S) перенос электродного металла происходит без коротких замыканий. Разбрызгивание металла при сварке на больших токах невелико и происходит в основном за счет выброса мелких брызг, образующихся при перегорании шейки между каплей и электродом и при кипении ванны.
С целью уменьшения разбрызгивания при сварке проволокой малого диаметра процесс сварки осуществляют с короткими замыканиями, используя источники с оптимальными динамическими свойствами. При сварке проволокой большого диаметра мини-
Рис. 2-32. Влияние силы тока и диаметра проволоки на потери металла при сварке в среде СО2, полярность обратная (А. Г. Потапьевский, В. Я- Лаврищев)
маЛьноГо разбрызгивания добиваются путем подбора оптимаЛьнь!Х режимов сварки, изменяя величину тока и напряжения.
Сварка порошковой проволокой. Общие закономерности переноса металла, установленные при сварке покрытыми электродами, справедливы и для порошковых проволок с соответствующими типами сердечников. Более высокие плотности тока, конструкции проволок и условия контактирования с атмосферой вносят некоторые количественные коррективы.
Наиболее полно изучен перенос металла при сварке проволоками с сердечником рутилового типа. С увеличением силы тока несколько уменьшается средняя масса переносимых капель Рср, растет число капель N и снижается время их существования тср. Малое влияние тока на массу капель связано, по-видимому, с действием реактивных сил, вызванных сжатием столба дуги и активных пятен вследствие диссоциации водорода и паров воды. Источником этих газов являются составляющие сердечника порошковой проволоки ■—■ органические вещества и кристаллизационная влага некоторых минералов.
Увеличение напряжения дуги вследствие ее удлинения приводит к значительному повышению парциального давления кислорода в атмосфере дуги из-за подсоса воздуха. При этом увеличивается окисление капель, снижается поверхностное натяжение металла, а следовательно, уменьшаются масса капель и время их существования. Подобный эффект достигается и при введении в сердечник сильных окислителей. Увеличение вылета проволоки приводит к преждевременному выгоранию органических составляющих сердечников и окислению капель, что также способствует их измельчению.
§ 2-7. Образование сварочной ванны, формирование н кристаллизация металла шва
При сварке плавлением доводятся до жидкого состояния кромки соединяемых элементов и дополнительный металл. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Плавление происходит в зоне сварки — плавильном пространстве. Расплавленные основной и дополнительный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну, находящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Границами ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва. Механизм переноса электродного металла в сварочную ванну рассмотрен выше.
В процессе сварки источник теплоты перемещается вдоль соединяемых кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. При сварке под флюсом сварочная ванна окружена оболочкой (пузырем) из расплавленного флюса- шлака, который полностью закрывает ореол дуги, делая его не-
6 Заказ № 78281
существования сварочной ваннысуществования сварочной ванныРис. 2-34. Форма сварочной ванны.Рис. 2-34. Форма сварочной ванны.L — длина, Н — толщина; b — ширина, h — глубинаL — длина, Н — толщина; b — ширина, h — глубина1212Рис. 2-33. Строение сварочной ванныРис. 2-33. Строение сварочной ванны1 — головной участок, 2 — хвостовой участок1 — головной участок, 2 — хвостовой участок
существования сварочной ванны
существования сварочной ванны
Рис. 2-34. Форма сварочной ванны.
Рис. 2-34. Форма сварочной ванны.
L — длина, Н — толщина; b — ширина, h — глубина
L — длина, Н — толщина; b — ширина, h — глубина
12
12
Рис. 2-33. Строение сварочной ванны
Рис. 2-33. Строение сварочной ванны
1 — головной участок, 2 — хвостовой участок
1 — головной участок, 2 — хвостовой участок
видимым для глаз. При сварке с газовой защитой сварочная ванна окружена прозрачной оболочкой из газа, а при применении покрытых электродов сварочная ванна защищена шлаком и газом. В обоих случаях ореол дуги хорошо виден. При электрошла- ковой сварке и дуговой сварке под флюсом вертикальных швов сварочная ванна изолирована от окружающего воздуха слоем шлака, расположенным над ее поверхностью.
При дуговой сварке плавильное пространство можно условно разделить на два участка (рис. 2-33): головной, где происходит плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой, где располагается сварочная ванна и начинается ее кристаллизация. Форма сварочной ванны при дуговых процессах в этом случае характеризуется ее длиной, шириной, толщиной и глубиной проплавления основного металла (рис. 2-34). Она ограничивается изотермической поверхностью, имеющей температуру плавления основного металла.
Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 0,1 до 10 см3. В плане сварочная ванна имеет1 эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание (рис. 2-35). В поперечном сечении в зависимости от режима и условий сварки форма сварочной ванны изменяется в широких пределах. Наиболее характерной для дуговой сварки является форма провара, приближающаяся к полуокружности. При лучевых способах сварки форма ванны напоминает острый клин-кинжал.
Время пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии для различных ее участков неодинаково. Приближенно среднюю продолжительность"
tCB (с) можно определять из зависимости
где L — длина ванны, мм; у — скорость перемещения источника нагрева, мм/с.
б)б)в)в)
б)
б)
в)
в)
рис. 2-35. Различные очертания сварочной ванны в плане при сварке на токах-
Q — малых, б — средних, в— больших
Для сварочной ванны при дуговом процессе характерно неравномерное распределение температуры (рис. 2-36). В головной части ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плавление металла и наиболее интенсивно протекает взаимодействие металла со шлаком и газами, металл нагрет значительно выше температуры его плавления. В хвостовой части ванны температура приближается к температуре плавления основного металла.
Средняя температура свароч
ной ванны при сварке под флюсом конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около 1800° С. Максимальная
температура для этих условий достигает 2300° С.
Столб дуги, расположенный в головной части сварочной ванны, оказывает механическое воздействие — давление на поверхность расплавленного основного металла. Это давление является результатом совместного действия упругого удара заряженных частиц о поверхность металла, давления газов, находящихся в дуговом промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамическими усилиями. Такой направленный поток наблюдается только при несимметричной дуге, т. е. дуге, горящей между электродами малого и большого сечений, в нашем случае между электродом или сварочной проволокой и основ
ным металлом.
Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и к погружению столба дуги в толщу основного металла, что обусловливает увеличение глубины проплавления. Давление, оказываемое дугой на поверхность металла, пропорционально квадрату тока, протекающего в дуге. Давление может
Рис. 2-36. Распределение температуры по длине ванны
быть повышено за счет увеличения концентрации источника нагрева, например путем повышения плотности тока в электроде, применения флюса или тугоплавкого покрытия, образующего втулочку на конце электрода (сварка электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое дугой на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина погружения столба дуги в его толщу. Для понижения давления применяют сварку наклонным электродом углом вперед, сварку несколькими дугами и другие приемы.
Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действующими на поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение невелико и проявляется в образовании не заполненного металлом углубления —■ кратера. При повышенных плотностях тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого металла из головного участка. Этим обусловливается различие уровней жидкого металла в головной и хвостовой части плавильного пространства (рис. 2-37). Для поддержания такой разности уровней должно существовать равенство между давлением дуги Рд и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака Рг. Если Рд < Рг, то металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что имеет место в конце процесса сварки. Если Рд > РТ1 то нарушается нормальное формирование шва.
После перемещения расплавленного металла в головной части плавильного пространства остается углубление — канавка. Поверхность ее покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удерживаемой силами поверхностного натяжения. По мере передвижения дуги перемещающийся из последующего головного участка жидкий металл заполняет канавку. При этом происходит взаимное слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополнительное оплавление основного металла за счет теплоты, накопленной в перегретой сварочной ванне. При удалении источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства начинает преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над притоком теплоты и начинается затвердевание — кристаллизация сварочной ванны. В процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает монолитность соединения.
Рис. 2-37. Расположение жидкого металла в головной и хвостовой частях сварочной ванны
Рис. 2-38. Зональная ликвация в металле шва
При электрошлаковом процессе сварочная ванна в плане преимущественно имеет прямоугольное или близкое к прямоугольному очертание с постоянной шириной. Такая форма ванны определяется возвратно-поступательным перемещением электрода (электродов) и наличием над поверхностью ванны значительного количества жидкого перегретого шлака. Объем металлической ванны достигает в этом случае 80 см3 и более. Форма ванны в поперечном сечении приближается к полуокружности или полуэллипсу.
Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Процесс первичной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кристаллитов Структуру металла шва, сформировавшуюся в результате первичной кристаллизации, именуют первичной.
При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся выравнять состав различных участков образовавшихся кристаллитов. Однако из-за значительной скорости остывания металла и медленного протекания процессов диффузии в твердых растворах не происходит полного выравнивания состава металла шва. Это определяет наличие зональной ликвации, т. е. неравномерного распределения элементов по сечению металла шва и внутридендритной неоднородности, заключающейся в неравномерном распределении элементов в пределах отдельных кристаллитов. Характер и степень микроскопической неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин и на его механические свойства.
Преимущественное развитие в сварных швах получает внутри- дендритная химическая неоднородность. Зональная ликвация проявляется в значительно меньшей степени в виде небольшого обогащения серой и некоторыми другими элементами поверхности шва при широкой форме провара (рис. 2-38, б) или по его оси при узкой форме провара (рис. 2-38, а). Степень дендритной и зональной ликваций в значительной мере зависит от условий остывания (кристаллизации) металла шва и его химического состава.
Степень внутридендритной химической неоднородности связана со скоростью остывания сварочной ванны сложной зависимостью. Однако изменения скорости остывания металла сварочной ванны в пределах, характерных для кристаллизации реальных швов, не влияют на степень ликвации.
Значительное влияние на качество сварного соединения оказывают диффузионные процессы, протекающие в зоне сплавления. Здесь, вследствие различной растворимости элементов в жидкой и твердой фазах, возникает существенная разница в химическом составе пограничного участка основного металла и прилегающего к нему участка металла шва.
В ряде случаев наблюдаются значительные изменения химического состава по длине шва и на отдельных его участках (макроскопическая неоднородность). Эти изменения обычно связаны с колебаниями режима сварки, изменениями состава сварочных материалов и другими технологическими причинами.
В металле сварных швов наблюдается также физическая неоднородность, связанная с возникновением вторичных, так называемых полигонизационных границ, проходящих по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки. Физическая неоднородность оказывает заметное влияние на стойкость сварного шва против перехода в хрупкое состояние, против межкристаллитной коррозии и на другие свойства.
Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой сварки начинается от частично оплавленных зерен основного металла или столбчатых кристаллитов предыдущего слоя (при многопроходной сварке), являющихся готовыми центрами кристаллизации. Видимая граница между металлами исчезает. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва именуют границей шва или границей сплавления (рис. 2-39).
При сварке аустенитных сталей величина столбчатых кристаллитов в большинстве случаев совпадает с величиной зерна основного металла. При сварке других металлов и сплавов эта закономерность выражена не столь четко.
Процесс первичной кристаллизации металла шва при электро- шлаковой сварке не имеет принципиальных отличий от кристаллизации многослойных швов, полученных дуговой сваркой с небольшим перерывом между выполнением слоев. Только в примыкающих к ползунам участках металлической ванны кристаллиты растут перпендикулярно к поверхности охлаждения, прорастая на 10—20 мм в глубь шва. Наличие дополнительных охлаждаемых поверхностей при сварке металла толщиной до 30 мм приводит к радиально-осевой направленности кристаллитов (рис. 2-40). С увеличением толщины свариваемого металла свыше 50 мм кристаллизация основной части шва приобретает обычный характер, и только у ползунов наблюдается специфическая направленность роста кристаллитов (рис. 2-41).
Рис. 2-39. Граница сплавления АРис. 2-39. Граница сплавления АРис. 2-40. Направление роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металла толщиной до 40 ммРис. 2-40. Направление роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металла толщиной до 40 мм
Рис. 2-39. Граница сплавления А
Рис. 2-39. Граница сплавления А
Рис. 2-40. Направление роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металла толщиной до 40 мм
Рис. 2-40. Направление роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металла толщиной до 40 мм
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны, так же как кристаллизация слитков и отливок, носит прерывистый характер. Швы, выполненные сваркой плавлением, имеют слоистое строение (рис. 2-42). Толщина кристаллизационного слоя при дуговой сварке обычно составляет десятые доли миллиметра. При электрошлаковой сварке слой имеет большую толщину и выявляется более четко.
Слоистое строение металла шва, вероятно, обусловлено совместным действием ряда причин, к которым относятся выделение скрытой теплоты кристаллизации металла сварочной ванны, волнообразное поступление металла в хвостовую часть плавильного пространства, наблюдаемые в реальных условиях колебания режима сварки и другие факторы.
Прерывистость характера первичной кристаллизации сварочной ванны влияет еще на один вид ликвации в металле шва, а именно слоистую неоднородность. Кристаллизационный слой состоит из трех характерных участков. Нижний участок обогащен, а верхний обеднен ликвирующими примесями по сравнению со средним участком.
Металл швов, выполненных сваркой плавлением, имеет столбчатое строение (рис. 2-43). Столбчатые кристаллиты отличаются сравнительно крупными размерами и легко различимы при изучении макроструктуры. В зависимости от способа и режима сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в достаточно широких пределах. Так, при дуговой сварке их размер обычно равен 0,3—3 мм в поперечнике. Для электрошлаковой сварки характерны значительный объем сварочной ванны и длительное пребывание расплавленного металла при высоких температурах. Соответственно этому размер столбчатых кристаллитов достигает 3—7 мм в поперечнике. Рост кристаллитов происходит нормально к криволинейной поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны, а при многопроходной сварке —■ к границе
Рис. 2-41.
Направление роста кристаллитов при электрошла- ковой сварке металла толщиной 100 мм
Рис. 2-42.
Слоистое строение металла шва:
а — дуговая сварка под флюсом;
б — электрошла- ковая сварка
Рис. 2-43. Столбчатое строение металла шва:
б — электрошлаковая сварка
а — дуговая сварка,
раздела между металлом ранее закристаллизовавшегося слоя и металлом кристаллизующегося слоя.
При дуговой однослойной сварке столбчатые кристаллиты прорастают через кристаллизационные слои, не изменяя своего направления. При многопроходной сварке рост кристаллитов последующего слоя начинается от частично оплавленных кристаллитов предыдущего. Направления кристаллитов отдельных слоев, как правило, не совпадают, так как конфигурация слоев различна (рис. 2-44).
Столбчатый кристаллит представляет собой группу неполногранных дендритов. У границы сплавления дендриты, как правило, имеют только стволы и малоразвитые ветви первого порядка. По мере удаления от границы сплавления дендриты разветвляются, выбрасывая ветви второго и третьего порядков.
При электрошлаковой сварке в зависимости от ее режима, химического состава и толщины свариваемого металла наблюдается четыре типа макростроения металла шва. Первый тип макростроения характерен наличием трех участков (рис. 2-45, а). У границы сплавления и у ползунов располагается участок толстых столбчатых кристаллитов. Каждый такой кристаллит является колонией дендритов, имеющих стволы и слабовыраженные оси первого порядка (рис. 2-46, а). На некотором расстоянии от границы сплавления толстые столбчатые
кристаллиты переходят в более тонкие кристаллиты, представляющие собой колонии развитых имеющих оси второго и третьего порядка Дендритов (рис. 2-46, б). Про-
Рис. 2-44. Направление кристаллитов В СЛОЯХ МНОГОСЛОЙНОГО шва
Рис. 2-45. Типы строения металла при электрошлаковой сварке
а — первый,а — первый,б — второйб — второй
а — первый,
а — первый,
б — второй
б — второй
растая в глубь шва, они доходят до участка равноосных кристаллитов, занимающего полосу шириной 0,5—10 мм по оси шва Равноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно разветвленное строение
Второй тип строения наблюдается наиболее часто и характеризуется наличием только участка толстых и тонких столбчатых кристаллитов (см рис 2-45, б) При третьем типе строения имеется только участок тонких столбчатых кристаллитов, прорастающих от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов при дуговой сварке). Четвертый тип строения характеризуется наличием лишь участков толстых столбчатых кристаллитов Во всех случаях металл участка толстых кристаллитов обладает более высокой однородностью и плотностью, чем металл других участков
Рис. 2-46. Строение дендритов при электрошлаковой сварке
(Z — у границы сплавления,б — на гнекотором расстоянии
от границы сплавления
Образование кристаллизационных трещин наблюдается в осйовйбм на участке тонких столбчатых кристаллитов.
Измельчение первичной столбчатой структуры и уменьшение микрохимической неоднородности металла шва принципиально возможны путем применения специальных элементов модификаторов, возбуждения в сварочной ванне ультразвуковых или механических колебаний и увеличения скорости остывания сварочной ванны. Однако использование указанных методов сложно и поэтому не находит широкого применения (см. гл 10) Швы, выполненные электроннолучевой и лазерной сваркой, также имеют литую структуру.
Для металлов и сплавов, претерпевающих при охлаждении аллотропические превращения (сплавы железа с углеродом и другие технические сплавы), первичная структура сохраняется до температуры аллотропического превращения. Для сплавов на основе железа аллотропические превращения проявляются в переходе у-железа в a-железо. Переход металла шва из одного аллотропического состояния в другое, происходящий в твердом состоянии,. называется вторичной кристаллизацией Структура металла шва, возникающая в результате вторичной кристаллизации, называется вторичной структурой. Характер вторичной микроструктуры зависит от химического состава металла шва, термического цикла и других причин.
§ 2-8. Образование и строение зоны термического влияния
Теплота, выделяемая сварочным источником нагрева, распространяется на прилегающие ко шву участки основного металла. При нагреве и последующем остывании в этих участках изменяются структура и свойства металла. Участок основного металла, подвергающийся в процессе сварки нагреву до температуры, при которой происходят видимые или невидимые структурные изменения, называют зоной термического влияния (около- шовной зоной). Наряду с тепловым воздействием основной металл околошовной зоны, как правило, претерпевает и пластическую деформацию.
Температура нагрева различных участков зоны термического влияния находится в пределах от точки плавления металла (у шва) до начальной температуры основного металла. Строение и размеры зоны термического влияния зависят от химического состава и теплофизических характеристик свариваемого материала, а также от термического цикла сварки.
Зона термического влияния является обязательным спутником шва при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от способа и режима сварки, состава и толщины основного металла и ряда других факторов. Меньшая ширина зоны относится к условиям сварки, характеризуемым большим перепадом температур.
91
Рис. 2-47. Строение околошовной зоны:
— участок твердо жид-кого состояния,
— участок перегрева;
— участок перекристаллизации;
— участок неполной перекристаллизации,
— участок рекристаллизации;
— участок старения
На рис. 2-47 приведена схема строения зоны термического влияния при сварке однослойного стыкового шва на конструкционных сталях.
Рассмотрим на этом примере структурные превращения в околошовной зоне. Первый участок зоны примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке находится в твердо-жидком состоянии. Здесь и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллитов шва на частично оплавленных зернах основного металла. Участок имеет небольшую ширину. По своему составу и структуре он отличается от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы и развивается химическая неоднородность.
Совокупность первого участка околошовной зоны и пограничного участка металла шва именуют зоной сплавления или переходной зоной. Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Поэтому дальнейшее изучение свойств переходной зоны представляет первостепенный интерес. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофизических свойств, состава и толщины (до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.
Второй участок околошовной зоны, получивший название участка перегрева (участка крупного зерна), включает металл, нагретый до температуры примерно 1200° С до температуры плавления. Металл на этом участке претерпевает аллотропические превращения. При нагреве a-железо переходит в у-железо, причем в результате значительного перегрева происходит рост аустенитного зерна.
Характер вторичной структуры металла на этом участке зависит от его состава и термического цикла сварки. Например, при электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали образуется крупнозернистая видманштеттова структура. Обычно, особенно в тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой,
92
металл на втором участке околошовной зоны обладает Худшими свойствами (меньшая пластичность, меньшая стойкость против перехода в хрупкое состояние), чем основной металл вне зоны термического влияния. Задача выбора рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла на этом участке.
Третий участок околошовной зоны получил название участка перекристаллизации (нормализации). Он включает металл, приобретший в процессе нагрева полностью аустенитную структуру.
Четвертый участок околошовной зоны, получивший название участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый от температуры, при которой во время нагрева начинаются аллотропические превращения (~720° С), до температуры около 880° С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем изменения, происходящие в первых трех участках.
На пятом участке околошовной зоны, именуемом участком старения при рекристаллизации, металл нагревается от температуры примерно 500° С до температуры несколько ниже температуры 720° С. Здесь происходит сращивание раздробленных при нагартовке (ковке, прокатке) зерен основного металла и некоторое разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Снижение прочности наблюдается также при сварке основного металла, подвергшегося упрочняющей термообработке. На этом же участке околошовной зоны при сварке углеродистых конструкционных сталей с содержанием до 0,3% С при некоторых условиях наблюдается снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла. Можно предположить, что это обусловливается старением после закалки и дисперсионным твердением.
Старение после закалки является результатом фиксирования в состоянии пересыщенного твердого раствора при быстром охлаждении металла от температуры 720° С до комнатной температуры примесей (углерода и азота) в количествах, соответствующих их максимальной растворимости при температуре 720° С. В процессе последующего вылеживания происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделение избыточного количества углерода и азота в виде тонкодисперсных карбидов и нитридов, скапливающихся вокруг участков решетки.
Тонкодисперсные выделения и скопления атомов уменьшают величину пластической деформации, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности металла. На практике следует учитывать возможное для стареющих металлов и сплавов понижение пластичности на этом участке околошовной зоны. Умень-
93
шение пластичности при некоторых условиях может стать йриЧй- ной снижения работоспособности конструкции. Следует учитывать также некоторое разупрочнение металла, если он до сварки был подвергнут упрочняющей термической или механической (наклеп) обработке.
Далее расположен участок, нагретый от температуры около 100° С до температуры 500° С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке низкоуглеродистых сталей, содержащих повышенное количество газов, на узком участке, нагретом до температуры 100—300° С (рис. 2-47, участок 6), наблюдается резкое падение ударной вязкости; оно вызвано, вероятно, старением металла после холодной деформации. Так как этот участок расположен вне зоны концентрации напряжений, наличие его в большинстве случаев не представляет непосредственной опасности для работоспособности конструкции.
Выше была описана схема строения зоны термического влияния при однопроходной сварке конструкционных сталей. При сварке других металлов и сплавов характер структур в околошовной зоне может быть другим.
При многопроходных швах строение околошовной зоны другое. При сварке длинными участками, когда ко времени формирования последующего прохода металл успел остыть до температуры окружающей среды, различие проявляется в менее четком строении околошовной зоны по всему сечению, кроме участка, расположенного у последнего слоя. Это обусловлено повторным термическим воздействием источника нагрева при наложении последующего слоя. При сварке короткими участками околошовная зона длительное время находится при малоизменяющейся температуре, что приводит к замедленному ее остыванию и соответствующему изменению ширины и строения.
При многопроходной сварке околошовная зона размещается не только в основном металле (см. рис. 2-44), но и в металле шва (рис. 2-48). Строение околошовной зоны, расположенной в пределах металла шва, значительно отличается от строения ее при распо
ложении в основном металле. В этом случае в интервале первых трех участков в подавляющем большинстве случаев наблюдается образование мелкозернистых, обладающих повышенной пластичностью структур. Зона крупного зерна вообще от-
Рис. 2-48. Околошовная зона в металле шва
сутствует, что, по-видимому, связано с наличием между столбчатыми кристаллитами прослоек, препятствующих дальнейшему их росту.
Под влиянием теплового и деформационного воздействия сварочного процесса может наблюдаться ухудшение свойств металла зоны термического влияния по сравнению со свойствами основного металла. Принятый технологический процесс сварки должен обеспечивать по возможности оптимальные условия формирования этой зоны и получение необходимого и достаточного качества металла на этом участке, от которого в значительной мере зависит работоспособность сварных конструкций.
§ 2-9. Металлургические процессы при сварке плавлением
Под термином «металлургические процессы» понимают высокотемпературные процессы взаимодействия фаз, имеющие целью получение металла. Они, как правило, сопровождаются переходом вещества из одной фазы в другую и могут являться реакциями перехода, замещения и распределения элементов между фазами. Так как металлургические процессы могут оказывать существенное влияние на качество сварного соединения, их необходимо учитывать и по возможности использовать при сварке.
Для случаев сварки плавлением взаимодействующими фазами являются жидкий и твердый металл, газ и жидкий шлак. Последний образуется при расплавлении шлакообразующих веществ электродного покрытия или флюса, а также в результате взаимодействия металла и газа.
Процессы сварки плавлением обязательно включают нагрев свариваемого и присадочного металла до расплавления, их последующее охлаждение и затвердевание. В связи с этим взаимодействие фаз сперва идет в условиях повышения, а затем понижения температуры. Это взаимодействие может быть эндотермическим, проходящим с поглощением теплоты, или экзотермическим, сопровождающимся выделением теплоты. Повышение температуры усиливает эндотермические процессы и ослабляет экзотермические. При понижении температуры имеет место противоположная тенденция.
При постоянных условиях (температура, давление и др.) реакции взаимодействия фаз с течением времени стремятся достигнуть равновесного состояния, при котором скорости прохождения этих реакций в одном направлении становятся равными скоростям их прохождения в противоположном направлении. Состояние равновесия реакций взаимодействия фаз зависит от температуры. Ввиду того, что температура в зоне сварки постоянно изменяется, реакции взаимодействия фаз могут изменять как направление, так и степень своего прохождения. При этом равновесие между реагирующими веществами, как правило, не успевает устанавливаться.
При всех способах сварки плавлением сварочная зона может быть разделена на высокотемпературную и низкотемпературную части. В высокотемпературной части сварочной зоны происходит нагрев металла, в низкотемпературной — его охлаждение. При дуговых способах сварки к высокотемпературной части зоны относятся сварочная дуга и прилегающие к ней области, а именно передняя часть сварочной ванны, конец электрода и капли электродного металла. К низкотемпературной относится хвостовая часть сварочной ванны. При электрошлаковой сварке к высокотемпературной части сварочной зоны следует отнести область вблизи конца (торца) электрода, к низкотемпературной — остальной объем сварочной ванны. Имеются высокотемпературная и низкотемпературная части зоны и при других способах сварки плавлением.
Наиболее интенсивное взаимодействие фаз имеет место при газовой и электродуговой сварке, когда длительность существования металла в жидком состоянии относительно велика. Вследствие большой концентрации энергии и малой площади пятна нагрева при электроннолучевой и импульсной лазерной сварке длительность существования металла в жидком состоянии мала. Скорость плавления, охлаждения и затвердевания металла велика, что затрудняет взаимодействие фаз. При электрошлаковой сварке газовая атмосфера с металлом сварочной ванны непосредственно не контактирует, вследствие чего основное значение имеет лишь взаимодействие металла со шлаком.
Процессы взаимодействия фаз в зоне сварки протекают одновременно, однако для удобства описания сначала рассмотрим взаимодействие металла с газовой фазой, а затем со шлаком.
Одной из главных задач при сварке плавлением является предупреждение вредного воздействия воздуха на металл. Эта задача обычно решается с помощью газовой или шлаковой защиты зоны сварки. Благодаря такой защите предупреждается доступ воздуха и взаимодействие составляющих его азота и кислорода с жидким металлом. Существенную роль при сварке может также играть водород. Перечисленные газы при взаимодействии с металлом могут физически в нем растворяться или же реагировать с ним с образованием химических соединений. В первом случае металл поглощает теплоту, во втором обычно происходит выделение теплоты. Химические реакции в зависимости от растворимости в жидком металле образовавшихся соединений можно разделить на три подгруппы: реакции, продукты которых хорошо растворимы в расплаве, реакции со средней их растворимостью и реакции, дающие нерастворимые соединения.
В табл. 2-6 приведены характеристики растворимости водорода, азота и кислорода в жидких металлах при их температуре плавления. В жидких, промышленно важных металлах, водород растворяется физически, тогда как азот и кислород преимущественно вступают с ними в химическое взаимодействие.
Растворимость водорода, азота и кислорода в жидких металлах (Дж. Ф. Ланкастер)
Характер взаимодействия
Растворимость
н
N
0
Не образуется соединение (эндотермическое растворение)
Газ растворяется в металле
Ag, Al, Be, Са, Со, Cr, Си, Fe, Mg, Мп, Mo, N1, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, W, Zn
Ag
Газ не растворяется в металле
Au, Hg
Pb, Cr, Cu, Ag, Au, Zn, Pb, металлы платиновой группы
Au, металлы платиновой группы
Образуется соединение (экзотермическое растворе- ине)
Соединение хорошо растворимо в металле
Редкоземельные металлы Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U
Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U
Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta
Соединение средне растворимо в металле
Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba
Co, Cr, Fe, Mn, Mo, W
Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Cu, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W
Соединение нерастворимо в металле
—
Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Zn, Al
Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd
Водород, кислород и азот в газовой фазе находятся в молекулярном виде Н2, N2 и О2. В жидком же металле перечисленные газы растворяются в виде атомов (ионов) или же химических соединений, содержащих один атом соответствующего газа. Об этом свидетельствует установленная экспериментально зависимость между парциальным давлением этих газов р в газовой фазе и ид содержанием S в металле:
S — Kp'K
Форма зависимости указывает, что газ растворяется в металле в диссоциированном на атомы состоянии, например по реакции Н2^2 [Н].
Так как водород растворяется в металлах с поглощением теплоты, то с повышением температуры его растворимость возрастает.
7 Заказ № 782§7
Рис. 2-49.
Диаграмма растворимости водорода и азота в железе
талла. С повышением температурыталла. С повышением температурыОднако затем следует снижение растворимости водорода, т. е. кривые растворимости водорода, а также некоторых других газов имеют восходящую и нисходящую ветви (см. рис. 2-49). Такой характер зависимости растворимости обусловлен влиянием паров самого ме- упругость паров металла по
талла. С повышением температуры
талла. С повышением температуры
вышается, что соответственно снижает парциальное давление газа. При температуре кипения металла атмосфера над ним полностью
состоит из паров металла, а парциальное давление газа равно нулю. Поэтому в кипящем металле водород и другие газы не растворяются.
При температуре плавления металла наблюдается резкое изменение растворимости газа. Ввиду того, что в твердом металле растворимость газа меньше, чем в жидком, при затвердевании металла газ должен из него удаляться. При неблагоприятных условиях это выделение может сопровождаться образованием пористости (см. § 35).
Большинство промышленно важных металлов взаимодействуют с кислородом и азотом с образованием химических соединений, которые или растворяются в металле, ухудшая его качество, или же удаляются в шлак. Поэтому весьма важно обеспечить надежную защиту зоны сварки от доступа воздуха. Особенно тщательной должна быть защита таких химически активных металлов, как титан, алюминий и их сплавы. С этой целью рекомендуется применять инертную атмосферу или инертный флюс. Такую же защиту рекомендуется применять при сварке сталей и сплавов, содержащих химически активные элементы. При сварке титана и его сплавов необходимо защищать не только зону сварки, но и участки металла, нагретые до температуры свыше 300° С.
Кроме кислорода воздуха жидкий металл может окисляться водяным паром, двуокисью углерода и другими кислородсодержащими газами, присутствующими в зоне сварки. При электро- шлаковой сварке кислород, а также водород могут передаваться металлу из окружающей атмосферы через жидкий шлак.
Испаряясь, металл, в свою очередь, влияет на состав газовой фазы, изменяя этим условия прохождения дугового разряда, а также электронного или лазерного излучения. Это испарение носит избирательный характер, причем интенсивнее испаряются элементы с более высокой упругостью пара. При сварке стали,
например, наиболее интенсивно испаряется Марганец, при сйаркё латуни — цинк. В результате избирательного испарения заметно снижается концентрация летучих элементов в металле шва, что необходимо учитывать при разработке технологии сварки.
Длительность взаимодействия жидких шлака и металла при сварке плавлением обычно невелика. При дуговой сварке она может колебаться от 10 с до 1 мин, а при электрошлаковой сварке достигать нескольких минут. Это взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака.
Несмотря на относительную кратковременность, реакции взаимодействия шлака и металла при электродуговой сварке могут проходить довольно энергично, что обусловлено высокими температурами нагрева металла и шлака, большими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количеством шлака. Последнее в среднем составляет 30—40% массы металла сварочной ванны при сварке под флюсом и до 10% — при сварке по флюсу. Примерно такие же количества шлака образуются и при ручной дуговой сварке качественными электродами. В связи с весьма небольшим расходом флюса при электрошлаковой сварке металл и шлак взаимодействуют слабее, чем при дуговой.
Происходящие между жидким шлаком и металлом реакции взаимодействия являются или реакциями замещения, т. е. вытеснения из шлака в металл одного элемента другим, или же реакциями распределения элемента между металлом и шлаком. Реакции замещения могут быть записаны в молекулярной или ионной форме в зависимости от принятых взглядов на строение жидкого шлака. Так, например, реакции восстановления кремния и марганца из шлака железом, при принятии молекулярной теории строения шлаков, записывают так:
(SiO2) + 2 [Fe] 2 (FeO) + [Sil; (2-15)
(MnO) + [Fe] ^ (FeO) + [Mn],
Символы в квадратных скобках здесь и далее обозначают металлическую фазу, в круглых скобках — шлаковую фазу. В ионной форме указанные реакции имеют вид
(Si4+) + 2 [Fe] ^ 2 (Fe2+) + [Si];
(Mn2+) + [Fe] ^ (Fe2+) + [Mn],
Различие между молекулярной и ионной формой записи ре акций замещения состоит в том, что принимают существующими в шлаке и реагирующими с металлом или молекулы свободных окислов, или ионы. Стрелки в уравнениях реакций показывают, что взаимодействие может идти в обоих направлениях. При высоких температурах указанные реакции преимущественно идут слева направо (восстановление кремния и марганца из шлака). При снижении температуры равновесие этих реакций смещается справа налево, т. е. марганец и кремний окисляются и переходят
Из металла в шлак. Направление прохождения реакций зависит также от концентраций (вернее активностей) реагирующих веществ.
Реакции распределения записывают так:
[FeS] ^ (FeS).
В данном случае сера распределяется между шлаком и металлом путем перехода через межфазную границу молекул сульфида железа. Такой характер распределения серы наблюдается при взаимодействии с жидкой сталью кислого шлака.
Ввиду существенной зависимости взаимодействия фаз от температуры рассмотрим характер изменения температуры металла в процессе сварки. Термические циклы, которые проходят основной и электродный металлы при сварке, неодинаковы. Капли расплавленного электродного металла пролетают через дуговой промежуток или переходят через шлаковую ванну. При этом поверхность их нагревается до высоких температур (при переходе через дуговой промежуток •—■ до температуры кипения металла). Затем капли попадают в сварочную ванну. Основной металл свариваемых кромок подвергается менее интенсивному воздействию дуги или шлаковой ванны, а поэтому меньше перегревается над температурой плавления. Последующее охлаждение попавших в сварочную ванну основного и электродного металлов происходит совместно. В связи с этим металлургические реакции между металлом и шлаком в разных частях сварочной зоны проходят по-разному.
О характере прохождения металлургических реакций в разных частях сварочной ванны можно судить по химическому составу металла на конце электрода. После прекращения сварки на конце электродной проволоки обычно остаются капли затвердевшего металла. Они представляют собой оплавленный, но не прошедший через дугу электродный металл. В табл. 2—7 приведены данные о составе капель на конце электродной проволоки и металла шва, сваренного под флюсом АН-348 независимой дугой, непдавящимся и плавящимся электродами. В качестве основного металла использовали кипящую низкоуглеродистую сталь, электродного — сварочную проволоку Св-08А. В результате взаимодействия жидких флюса и металла последний обогащается кремнием и марганцем.
Как видно из табл. 2-7, больше всего кремния и марганца содержится в металле шва, сваренного независимой дугой. Это свидетельствует о том, что интенсивнее всего реагирует с флюсом электродный металл, попадающий в шов через дуговой промежуток. Однако и в других участках зоны сварки, находящихся вблизи дуги, — на конце электрода, в передней части сварочной ванны, металлургические реакции идут в том же направлении. При понижении температуры металла и флюса реакции идут в обратном направлении. Это позволяет условно разделить зону сварки на две области. Первая из них находится вблизи дуги, где плавятся ме-
Содержание кремния и марганца в основном, электродном и наплавленном металлах, %
Металл
Si
Мп
Основной металл
0,01
0,45
Сварочная проволока
0,01
0,52
Капля на конце электрода
0,15
0,63
Шов, сваренный независимой дугой (металл электрода, переплавленный дугой)
0,20
0,86
Шов, сваренный неплавящимся электродом (переплавленный основной металл)
0,04
0,56
Шов, сваренный в обычных условиях дугой прямого действия
0,10—0,15
0,60—0,65
талл и флюс, и вторая — в хвостовой части ванны, где понижается температура металла и шлака. Наиболее интенсивно взаимодействуют в сварочной ванне шлак и металл в жидком состоянии, менее интенсивно действует жидкий шлак на затвердевший металл. Это происходит в течение сравнительно короткого времени, когда шов уже затвердел, а шлак еще находится в жидком состоянии. Интервал температур, в котором может происходить указанное действие, с одной стороны ограничен температурой плавления шлака, а с другой — температурой плавления металла. Например, для сварки низкоуглеродистой стали под высококремнистым марганцевым флюсом этот интервал температур составляет 300— 400° С, время взаимодействия жидкого шлака и твердого металла шва для обычных режимов сварки не превышает 15—30 с. Вследствие взаимодействия со шлаком в поверхностном слое затвердевшего шва могут происходить окислительные процессы, причем составы поверхностного слоя и основной массы шва не успевают выравниваться (за счет диффузии).
С понижением температуры раскисляющая сила элементов возрастает. Поэтому, если при высоких температурах возможен переход кремния и марганца из шлака в металл, то при понижении температуры эти легирующие элементы в стали окисляются и переходят в шлак. Слои металла на поверхности шва окисляются шлаком с образованием окисной пленки, которая прочно удерживается на поверхности металла и способствует сцеплению с этой поверхностью слоя шлака. При значительной величине силы сцепления шлак с поверхности шва удаляется с трудом, при ее отсутствии или малой величине шлаковая корка самопроизвольно отделяется от шва.
Жидкие шлаки, в том числе и сварочные, являются электролитами. При прохождении через них электрического тока они подвергаются электролитической диссоциации, что может влиять на взаимодействие шлака и металла. Наиболее вероятно такое
101
йЛияние при электрошлаковой сварке, когда весь сварочный ток проходит через жидкий шлак. При дуговой сварке под флюсом доля тока, проходящего через шлаковую перемычку, невелика, и поэтому возможное влияние электролиза мало.
При сварке переменным током ввиду частой смены полярности влияние электролиза на химический состав металла шва незначительно. Существенное значение электролиз может иметь лишь при электрошлаковой сварке на постоянном токе. Например, в результате применения постоянного тока при электрошлаковой сварке и электрошлаковом переплаве можно достигнуть очистки металлической ванны от таких нежелательных примесей, как сера или водород.
' В сварных швах всегда находятся неметаллические включения— микроскопически малые частицы неметаллического вещества. Они могут состоять из окислов, сульфидов, соединений фосфора, нитридов и др. Большинство неметаллических включений имеет эндогенное происхождение, т. е. образуются в металле сварочной ванны или металле шва из растворенных загрязняющих элементов. Лишь небольшая часть неметаллических включений имеет экзогенное происхождение, представляя собой мелкие частицы застрявшего в металле шлака.
Основная причина образования неметаллических включений —■ уменьшение растворимости загрязняющих элементов в металле при снижении температуры. Это характерно для металлов и в жидком, и в твердом состоянии. Резкое падение растворимости примесей имеет место при кристаллизации жидкого металла. Растворимость загрязняющих элементов изменяется и при фазовых превращениях металла в твердом состоянии (см. § 36).
В отличие от неметаллических включений шлаковые включения являются достаточно крупными частицами шлака, попавшими в металл шва вследствие резких нарушений технологического процесса сварки.
В зависимости от состава основного металла и предъявляемых к сварному соединению требований выбирают оптимальный химический состав металла шва. Требуемый состав шва может быть получен путем введения в него легирующих элементов из основного и электродного металлов, электродного покрытия или флюса. При условии постоянства режима сварки химический состав ме
Таблица 2-8
Значение коэффициента усвоения, %
Сварка
А Мп
ASi
АС
ДР
Под флюсом . . .
+(0,174-0,18)
+(0,124-0,13)
—(0,034-0,035)
+0,008
Электрошлаковая
+(0,054- 0,07)
Практически не изменяется
талла шва может быть рассчитан заранее. При этом исходят из доли основного и электродного металлов в металле шва и их химического состава, а также учитывают взаимодействие металла с газовой фазой и шлаком. Расчетное содержание элементов в металле шва определяют по формуле
1ЯШ) = Ьл 1^1 + (1 - Ьл> Wo) ± ^- (2-16)
где [У?эл ] — аналитическое содержание элемента в электродном металле, %; уэл— доля участия электродного металла в металле шва; [У?о] — аналитическое содержание элемента в основном металле, %; ДУ? —• коэффициент усвоения, определяющий переход данного элемента из составляющих покрытия, флюса или из газа в металл шва (+) или из металла шва в окружающую среду или шлак (—).
Величину ДУ? определяют опытным путем. Для примера в табл. 2-8 приведены значения ДУ? при сварке низкоуглеродистой стали низкоуглеродистой проволокой под флюсом АН-348-А (сварка под флюсом) и под флюсом АН-8 (электрошлаковая сварка).
Из приведенных в табл. 2-8 данных и уравнения (2-16) видно, что при заданном химическом составе основного металла состав металла шва можно регулировать главным образом за счет изменения состава сварочной или присадочной проволоки и долей основного и электродного металлов в металле шва. Требуемое легирование металла шва при сварке качественными электродами осуществляется в основном за счет входящих в покрытие ферросплавов. Степень легирования шва может быть при этом настолько велика, что, например, с применением обычной низкоуглеродистой проволоки можно получить высоколегированный наплавленный металл.
Чтобы обеспечить постоянство химического состава металла шва и стабильность качества сварного соединения, необходимо гарантировать постоянство состава и качества сварочных материалов.
Технологические особенности основных процессов сварки плавлением
§ 3-1. Сварка покрытыми электродами
Покрытые электроды применяют в основном при ручном процессе. Сварку можно выполнять во всех пространственных положениях и в условиях монтажа. Сваривают черные и цветные металлы и различные сплавы практически любой толщины. Покрытые электроды находят достаточно широкое применение и при наплавке. Основной объем работ при ручной сварке выполняется электродами диаметром 2—6 мм при силе тока 100—-400 А и напряжении дуги 18— 30 В. В ряде случаев используют электроды меньшего или большего диаметра.
При сварке покрытыми электродами металл шва формируется главным образом за счет вводимого в шов электродного металла, и поэтому производительность процесса определяется количеством электродного металла, переходящего в шов за час, смену или сутки Это количество пропорционально коэффициенту наплавки ан, величине тока и чистому времени горения дуги. Значение ая зависит от физико- химических свойств покрытия, рода тока и его полярности, состава электрода, режима сварки и изменяется обычно в пределах 8—12 г/А-ч.
При расчете количества электродного металла, расходуемого на сварку данного шва, исходят из коэффициента расплавления электрода ар (см. § 2-6). Коэффициент расплавления зависит от рода и полярности тока, состава покрытия (при других способах сварки —■ от состава флюса или защитного газа), величины тока и напряжения, плотности тока в электроде и состава электродного стержня (или электродной проволоки).
Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на количество металла, теряемого на 104
разбрызгивание и испарение. Отношение количества бесполезно затрачиваемого расплавленного металла ко всему количеству расплавленного металла называется коэффициентом потерь (см. § 2-6). Его значения изменяются в зависимости от плотности тока в электроде, состава покрытия и режима сварки. Некоторые усредненные значения коэффициента потерь для покрытых электродов и других видов защиты (для сравнения) следующие: покрытые электроды 5—10%, углекислый газ 5—-12%, флюс 1—3%.
Если учесть, что при сварке покрытыми электродами до 15—• 20% длины стержня электрода теряется в виде неиспользуемых отходов —• огарков, то общие потери на угар, разбрызгивание и огарки составят до 30% стержня.
Выраженное в процентах отношение количества расплавленного металла, оседающего в виде брызг на основном металле, к количеству перешедшего в шов электродного металла называют коэффициентом набрызгивания. Чем выше значение этого коэффициента, тем больше труда необходимо затратить для удаления брызг со сварной конструкции.
Существует много методов повышения производительности ручной сварки покрытыми электродами. Наиболее эффективным из них является введение в состав покрытия железного порошка, что приводит к повышению коэффициента наплавки до 18 г/А-ч и позволяет значительно повысить производительность процесса по сравнению со сваркой обычными электродами. В этом случае в образовании шва принимает участие не только металл электродного стержня, но и металл, вводимый в состав покрытия в виде железного порошка. Электроды данного типа получили название высокопроизводительных. Коэффициент потерь для них имеет положительную величину, так как при определении значения коэффициента расплавления учитывается только металл, полученный от расплавления стержня, а при определении коэффициента наплавки учитывается и металл, перешедший из покрытия.
Сварку высокопроизводительными электродами можно выполнять переменным и постоянным током (прямой полярности), преимущественно в нижнем положении. Источники питания должны иметь повышенное напряжение холостого хода.
Из методов повышения производительности ручной сварки следует указать также сварку сдвоенным электродом, пучком электродов, трехфазной дугой и сварку с глубоким проваром.
При сварке сдвоенным электродом процесс ведут двумя стержнями, соединенными между собой контактной точечной сваркой (рис. 3-1). Дуга перебрасывается (блуждает) с электрода на электрод, попеременно оплавляя их. Производительность процесса в случае применения сдвоенных электродов повышается на 20— 40% по сравнению со сваркой одним электродом. Повышение производительности достигается в результате некоторого увеличения коэффициента наплавки за счет подогрева электрода проходящим
Рис. 3-1. Сварка спаренным электродом
током при горении дуги на втором электроде, увеличения периода горения дуги и снижения затрат времени на смену электродов.
При сварке пучком,т. е. одновременно несколькими покрытыми электродами, соединенными между собой прихватками в месте крепления их в электрододер- жателе в общий пучок, ток через элек-
трододержатель подводится ко всем входящим в пучок электродам. Так же, как при сварке сдвоенным электродом, дуга возбуждается на электроде, находящемся на более близком расстоянии от свариваемого изделия. При обгорании этого электрода дуга перебрасывается на другой электрод, расположенный в данный момент ближе к свариваемому изделию, чем предыдущий, и так далее. Электроды, расположенные вокруг плавящегося электрода, подогреваются теплотой излучения сварочной дуги. Производительность сварки пучком электродов повышается на 40—• 50% за счет некоторого повышения коэффициента наплавки и увеличения коэффициента использования сварочного поста.
При сварке трехфазной дугой обычно применяют два электрода, к которым подводятся две фазы от источника питания. Третья фаза подводится к детали. Электроды можно закреплять раздельно в двух обособленных держателях или располагать в одном держателе. Применение трехфазной дуги позволяет повысить производительность сварки на 50—60%.
При всех упомянутых способах повышения производительности процесса существенно затрудняется манипуляция электродом вследствие утяжеления электрододержателя, увеличения сечения электродов и, кроме того, несколько ухудшается формирование шва, что и определяет ограниченное применение этих
методов.
Значительным резервом увеличения производительности ручной сварки является проведение организационных мероприятий, обеспечивающих повышение коэффициента использования сварочного поста и выбор разделки, предопределяющий минимальное сечение шва.
При сварке с глубоким проваром (сварка с опиранием, сварка ультракороткой дугой) повышение производительности процесса достигается не столько за счет увеличения силы тока (на 20—40%) и коэффициента наплавки, сколько за счет обеспечения большей глубины провара основного металла. Это позволяет уменьшить глубину разделки кромок и сварить более толстый металл без разделки кромок с большей скоростью. Сварку выполняют без колебаний электрода поперек шва. При этом методе используют электроды с несколько увеличенной толщиной покрытия. Внешний
диаметр электрода обычно равен 1,5 диаметрам электродного стержня.
При сварке на конце электрода образуется втулка из нерас- плавившегося покрытия, которой электрод опирается на изделие. Сварку ведут при повышенной скорости с наклоном электрода на 15—20° углом назад. Наличие втулки на конце электрода, повышение мощности дуги и отсутствие колебательных движений электрода определяют концентрированный ввод теплоты в основной металл и увеличение глубины провара. При повышенных силах тока предпочитают использовать переменный ток, чтобы устранить магнитное дутье, наблюдаемое при сварке постоянным током и отрицательно сказывающееся на формировании шва Электроды с глубоким проваром предназначены для сварки стыковых швов в нижнем положении и угловых швов в «лодочку» на низкоуглеродистых и низколегированных сталях. Широкого применения они не получили.
Выполнять швы, расположенные в нижнем положении и на вертикальной плоскости, можно автоматической сваркой покрытыми электродами диаметром 4—5 мм при силе тока 250—500 А и напряжении дуги 20—24 В. Автоматическая сварка покрытыми электродами всех видов находит ограниченное применение, что связано с незначительным повышением производительности труда при переходе от ручной сварки к автоматической. Производительность дуговой сварки определяется в основном величиной сварочного тока.
тической сварки.тической сварки.При автоматической сварке покрытыми электродами не удается повысить силу тока более чем на 20—30% по сравнению со сваркой вручную. При большем увеличении тока резко возрастают потери на угар и разбрызгивание и ухудшается формирование металла шва, что проявляется в отсутствии сплавления между основным металлом и металлом шва и бугристой неровной поверхностью последнего. Поэтому производительность автоматической сварки превышает производительность ручной сварки всего в 1,5—■ 2 раза, что в большинстве случаев не окупает затраты на изго-
тической сварки.
тической сварки.
покрытие запрессовано внутрь металлической оболочки (порошковая проволока)
поверхность электрода армирована тонкой проволокой, между витками которой расположено покрытие,
Зи 4 — на поверхности электрода имеются выступы свободные от покрытия
товление и эксплуатацию специального оборудования. Для автоматической сварки покрытыми электродами применяют специальные электродные проволоки. Конструкции некоторых из них показаны на рис. 7-3.
Ручную сварку рационально применять для коротких швов, расположенных в различных пространственных положениях и при мелкосерийном характере производства. На монтаже применение ручной сварки оправдано при небольшом объеме работ даже для более протяженных швов. Целесообразно использовать ручную сварку при ремонте.
Ручная сварка рациональна для выполнения прихваток при сборке конструкций под сварку и при исправлении дефектных участков шва небольшой протяженности. Тенденция развития сварочной техники свидетельствует о том, что объем использования ручной дуговой сварки будет сокращаться, но она еще долгое время не потеряет своего значения.
§ 3-2. Сварка под флюсом
Сварка под флюсом в большинстве случаев используется как автоматический процесс. Полуавтоматическая сварка под флюсом применяется в значительно меньшем объеме, чем автоматическая. Процесс ведется преимущественно в нижнем положении. Объем работ, выполняемых при помощи сварки под флюсом, из года в год увеличивается. Интенсивное развитие автоматической сварки под флюсом обусловлено высокой производительностью этого способа, стабильным качеством сварки, малым расходом электродного металла и электроэнергии и хорошими условиями труда.
При сварке под флюсом производительность процесса по машинному времени повышается в 6—12 раз, что даже при коэффициенте использования сварочной установки 0,5 в 3—6 раз превосходит производительность ручной сварки покрытыми электродами. При сварке на специальных, так называемых форсированных режимах, применяемых при изготовлении труб большого диаметра и широкополых двутавровых балок, производительность повышается в 15—20 раз. За счет повышения коэффициента использования сварочной установки можно добиться значительного дальнейшего роста производительности сварки под флюсом. Повышение производительности при автоматической сварке под флюсом достигается за счет использования больших токов и повышения плотности тока в электроде (табл. 3—1).
Резкое повышение абсолютной величины тока и плотности тока в электроде без увеличения потерь на угар и разбрызгивание и без ухудшения формирования шва возможно благодаря наличию плотного слоя флюса вокруг зоны сварки; это предотвращает выдувание жидкого металла шва из сварочной ванны и сводит потери на угар и разбрызгивание до 1—3%. Увеличение силы тока
108
Таблица 3-1
Сила и плотность тока в электроде
при сварке покрытыми электродами и под флюсом
Диаметр электродного стержня или проволоки,
Сварка покрытыми электродами вручную
Автоматическая сварка под флюсом
Сила тока, А
Плотность тока, А/мм2
Сила тока, А
Плотность тока, А/мм8
5
190—350
10—18
700—1000
35—50
4
125—200
10—16
500—800
40—63
3
80—130
11—18
350—600
50—85
2
50—65
16—20
200—400
63—125
позволяет сваривать металл значительной толщины без разделки кромок с одной или двух сторон (производительность сварки для этого случая определяется в основном глубиной проплавления основного металла) и увеличивать количество наплавляемого в единицу времени металла. Коэффициент наплавки при сварке под флюсом составляет 14—18 г/А-ч против 8—12 г/А-ч при сварке покрытыми электродами. Повышение силы тока, увеличение глубины провара и коэффициента наплавки позволяют повысить производительность и при сварке многослойных швов. Отсутствие брызг — также серьезное преимущество сварки под флюсом, так как отпадает надобность в трудоемкой операции очистки от них поверхности свариваемых деталей.
При сварке под флюсом обеспечивается высокое и стабильное качество сварки. Это достигается за счет надежной защиты металла шва от воздействия кислорода и азота воздуха, однородности металла шва по химическому составу, улучшения формы шва и сохранения постоянства его размеров. В результате обеспечивается меньшая вероятность образования непроваров, подрезов и других дефектов формирования шва и отсутствие перерывов в процессе сварки, вызванных необходимостью смены электродов.
За счет уменьшения доли электродного металла в металле шва в среднем с 70% при сварке покрытыми электродами до 35% при сварке под флюсом и уменьшения потерь на угар, разбрызгивание и огарки снижается расход электродного металла и электроэнергии. Отпадает необходимость в защите глаз и лица рабочего и несколько уменьшается количество выделяемых в процессе сварки вредных газов, что улучшает условия труда. Для приобретения квалификации автосварщика необходимо затратить значительно меньше времени и средств, чем для овладения специальностью сварщика, работающего вручную.
Автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом применяют в заводских и монтажных условиях для выполнений швов, расположенных в нижнем положении, обычно при толщине
109
металла 2—100 мм. Сваривают стали различного состава, медь, титан, алюминий и сплавы на их основе. Сварку алюминия ведут не под флюсом, а по флюсу (см. гл. И). За рубежом под флюсом сваривают и горизонтальные швы, расположенные на вертикальной плоскости. В отечественной промышленности этот способ из-за трудности удаления шлаковой корки и удержания флюса не находит практического применения. Сварку под флюсом широко используют и при наплавочных работах. Автоматическую сварку под флюсом ведут сварочной проволокой сплошного сечения диаметром 1—6 мм при силе тока 150—2000 А и напряжении дуги 22—55 В, полуавтоматическую—сварочной проволокой диаметром 0,8—2 мм при силе тока 100—500 А и напряжении дуги 22—38 В. В обоих случаях возможно применение активированной и порошковой проволок.
Основным методом автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом является сварка одной дугой. С целью повышения производительности труда при сварке многослойных швов одной дугой в разделку вводят металлические наполнители в виде порошка, проволоки, окатышей и других материалов. В некоторых случаях наполнители вводят не только для увеличения производительности, но и для улучшения качества шва.
Для повышения коэффициента расплавления электрода можно применять автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом с увеличенным вылетом электрода. При этом достигается предварительный нагрев электродной проволоки на участке вылета.
Повысить производительность процесса и качество сварного соединения можно путем автоматической сварки под флюсом двумя и более электродами. Различают многоэлектродную и многодуговую сварку. При многоэлектродной сварке все электроды присоединены к одному полюсу источника питания. При многодуговой сварке каждый из электродов подсоединен к отдельному источнику питания и они электрически изолированы друг от друга.
Существуют две разновидности многодуговой сварки: сварка в общую ванну, когда расплавляемый всеми дугами металл образует единую ванну, кристаллизующуюся как одно целое (рис. 3-3, а); сварка в раздельные ванны, или, как ее называют,
Рис, 3-3. Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):Рис, 3-3. Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):а — в общую ванну,а — в общую ванну,б =* в раздельные ванны поб =* в раздельные ванны по
Рис, 3-3. Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):
Рис, 3-3. Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):
а — в общую ванну,
а — в общую ванну,
б =* в раздельные ванны по
б =* в раздельные ванны по
рис. 3-4. Сварка сдвоенным электродом:
а — продольное расположе» б — поперечное расположение электродов;ние электродов
сварка раздвинутыми дугами, в этом случае каждая дуга образует свою ванну и последующая дуга расплавляет уже закристаллизовавшийся слой, сваренный предыдущей дугой (рис. 3-3, б). Многоэлектродная сварка ведется только в общую ванну.
Промышленное применение находят такие разновидности сварки в общую ванну:
А. Сварка сдвоенным электродом на обычных скоростях. При этом способе электроды могут быть расположены так, как указано на рис. 3-4, а, б. Выбор схемы расположения электродов зависит от условий сварки. Сдвоенный электрод применяют при сварке по зазорам, при двусторонней сварке стыковых швов для уменьшения глубины провара от первого слоя, при сварке многослойных швов и наплавочных работах. Повышение производительности сварки в этом случае достигается за счет увеличения количества электродного металла, вводимого в сварочную ванну за единицу времени.
Б. Сварка трехфазной дугой, при которой увеличивается коэффициент наплавки, что обусловливает применение этого способа для наплавочных работ, для сварки многослойных швов и угловых швов большого сечения.
В. Двухдуговая или многодуговая сварка на больших скоростях, при которой используют два наклонных электрода или вертикальный и наклонный электроды (рис. 3-5, а). Вместо одного вертикального электрода применяют также сдвоенный электрод (рис. 3-5, б). Иногда в зону дуги подают присадочный металл. При этих схемах удается увеличить глубину проплавления основного металла и улучшить формирование шва, что позволяет резко повысить скорость, а следовательно, и производительность сварки. Многодуговую сварку на больших скоростях применяют при изготовлении труб большого диаметра, балок различного сечения, вагонных конструкций и др. Скорость при сварке угловых швов в настоящее время достигает 90 м/ч, а при сварке стыковых швов —
Рис. 3-5. Расположение электродов при сварке на больших скоростях: а — вертикальный и на-б — сдвоенный верти-
клонный электроды;кальный н наклон
ный электроды
300 м/ч. Работы по изысканию путей дальнейшего повышения скорости сварки продолжаются.
При сварке в раздельные ванны электроды располагают так, как показано на схеме рис. 3-5, а. Минимальное расстояние между дугами определяется длиной сварочной ванны, а максимальное — длительностью пребывания шлака в жидком состоянии. Сварку второй дугой следует вести по жидкому шлаку. При затвердевании шлака процесс становится неустойчивым.
Сварка раздвинутыми дугами позволяет значительно повысить пластические свойства сварного соединения за счет снижения скорости остывания металла шва и околошовной зоны и повысить производительность процесса за счет увеличения количества наплавляемого за единицу времени электродного металла. Способ применяется при сварке швов на сталях, склонных к закалке, и при сварке многослойных швов на толстом металле.
При сварке раздвинутыми дугами удается повысить стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. Этот эффект обусловлен снижением доли основного металла в металле шва и предварительным подогревом, достигаемым за счет действия первой дуги. Кроме того, вторая дуга почти полностью переплавляет слой металла, образовавшийся за счет действия первой дуги. При этом устраняются трещины, которые могли возникнуть в первом слое.
§ 3-3. Сварка в защитных газах
Сварка в защитных газах обеспечивает достаточно надежную изоляцию сварочной ванны при работе в заводских условиях. При сварке на монтаже должны быть предусмотрены Меры против нарушения газовой защиты потоками воздуха. На
112
эффективность газовой защиты влияют тип сварного соединения и скорость сварки. С увеличением скорости сварки стабильность защиты снижается.
Для обеспечения надежной защиты зоны сварки и сварочной ванны от окружающего воздуха важное значение имеют расстояние сопла от изделия, размер сопла и расход защитного газа. Чрезмерное приближение к изделию увеличивает забрызгивание сопла, а удаление приводит к нарушению защиты зоны сварки. При существующем оборудовании расстояние сопла от изделия обычно выдерживают в пределах 7—25 мм.
Находит применение ручная и полуавтоматическая сварка не- плавящимся (вольфрамовым или угольным) электродом и ручная, полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся электродом.
Сварку неплавящимся электродом тонкого металла без зазора между кромками ведут без присадочного металла, сварку более толстого металла выполняют с присадкой. Возможна сварка во всех пространственных положениях.
Сварку в защитных газах, как правило, выполняют при напряжении 22—34 В. При этом обеспечивается надежная защита плавильного пространства от окружающего воздуха и снижается угар элементов, входящих в состав электродной проволоки. При сварке неплавящимся электродом применяют стержни диаметром 0,8—25 мм и силу тока 400—300 А, при сварке плавящимся электродом — электродную проволоку сплошного сечения диаметром 0,5—4 мм (сила тока 50—700 А) и порошковую проволоку.
Газы, применяемые для защиты дугового промежутка, можно отнести к таким основным группам: а) инертные газы; б) активные газы; в) смеси газов.
Сварка с защитой инертными газами находит достаточно широкое применение. Инертные газы не растворяются в металле сварочной ванны и не образуют химических соединений с элементами, входящими в его состав. Серьезным недостатком этого способа является высокая стоимость и дефицитность инертных газов. Из инертных газов наиболее широко распространены в промышленности аргон и гелий, обеспечивающие высокую устойчивость дугового разряда. Для сварки меди используют азот, являющийся по отношению к ней инертным газом. В отечественной практике наиболее широко применяется сварка в аргоне.
Сварку в аргоне (аргоно-дуговую сварку) ведут дугой прямого действия неплавящимся, в основном вольфрамовым электродом или плавящимся электродом, по составу близким к составу свариваемого металла на переменном или постоянном токе прямой полярности. Этот способ сварки применяют преимущественно при изготовлении конструкций и аппаратуры из тонколистовых высоколегированных сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Для обеспечения направленного переноса металла во всех пространственных положениях используют сварку с наложением
8 Заказ № 782 1 13
дополнительных импульсов. При сварке с защитой активными газами наиболее широко используют углекислый газ. Некоторое применение находит также водород.
Активные газы или продукты их диссоциации в процессе сварки взаимодействуют с металлом сварочной ванны, растворяются в нем или образуют с элементами, входящими в его состав, химические соединения.
Сварка в углекислом газе осуществляется главным образом плавящимся электродом, а иногда угольным электродом. В качестве плавящегося электрода служат низколегированные сварочные проволоки сплошного сечения и порошковые проволоки. Сварку низколегированными проволоками сплошного сечения ведут постоянным током обратной полярности.
При сварке постоянным током прямой полярности вследствие более высокого содержания в металле шва водорода наблюдается интенсивное образование пор. Сварка активированной проволокой сплошного сечения возможна и на прямой полярности. Питание дуги переменным током возможно при сварке порошковой проволокой, в состав которой введены стабилизирующие дугу вещества. Использование вольфрамового электрода нецелесообразно, так как углекислый газ при высоких температурах является энергичным окислителем, приводящим к сгоранию электрода. Защита углекислым газом применима в основном при полуавтоматической сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей и в некоторых специальных случаях, о чем будет сказано в главах, посвященных технологии сварки различных сталей.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе можно выполнять во всех пространственных положениях. Расширение области ее применения идет за счет замены ручной сварки и полуавтоматической сварки под флюсом. Широкое использование полуавтоматической сварки в углекислом газе взамен ручной сварки покрытыми электродами обусловлено большей производительностью, лучшими условиями труда и меньшими требованиями к квалификации рабочих. Перед полуавтоматической сваркой под флюсом ее преимущества заключаются в возможности визуального наблюдения за расположением электрода, отсутствии операций по удержанию и удалению флюса и возможности выполнения швов во всех пространственных положениях.
Объем автоматической сварки в углекислом газе пока ограничен, и в большинстве случаев она не может конкурировать со сваркой под флюсом. Серьезным еще не устраненным недостатком сварки проволокой сплошного сечения в углекислом газе является интенсивное разбрызгивание металла, вызывающее засорение аппаратуры и свариваемых деталей. Распространенные на практике методы снижения прилипания брызг пока нельзя считать достаточно рациональными. Некоторые положительные результаты в этом отношении достигаются при применении порошковой проволоки.
Рис. 3-6. Двойное сопло для сварки в смеси газов:
7 н 2 — каналы для подачн первого и второго компонентов смеси
В настоящее время еще нет достаточных данных для определения рациональности применения того или иного типа электродной проволоки. Выбирать проволоку следует в зависимости от условий сварки. Повысить производительность полуавтоматической сварки в углекислом газе можно путем применения форсиро
ванных режимов сварки при увеличенном вылете электродной
проволоки и использования сварочной проволоки большего диа
метра.
Сварка в водороде (атомноводородная сварка). Обычно сварку ведут независимой дугой, возникающей между двумя вольфрамовыми электродами, подсоединенными к источнику питания переменного тока с напряжением холостого хода примерно 300 В. Струя водорода подается в зону дуги вдоль электродов. Сварку ведут на длинной (звенящей) дуге при напряжении 70—150 В. Расход водорода 1—3 м3/ч. Свариваемый металл нагревается за счет теплоты, выделяемой в столбе дуги, и некоторого количества теплоты, выделяемой при диссоциации и последующей рекомбинации атомов водорода на поверхности свариваемого металла.
Сварка в водороде, сперва получившая достаточно широкое применение для соединения металла толщиной до 3 мм, в настоящее время вытеснена другими способами и в первую очередь аргоно-дуговой сваркой. Малое развитие этого метода определяется взрывоопасностью водорода, необходимостью в источниках пита
ния с высоким напряжением холостого хода и значительным короблением свариваемых деталей.
Сварка в газовых смесях. В практике применяют смеси инертных газов, смеси инертных и активных газов и смеси активных газов. Для получения смесей используют баллоны с заранее приготовленной смесью, специальные смесители, а в некоторых случаях двойное сопло (рис. 3-6). Преимущества защиты смесью газов сводятся к улучшению технологических и металлургических свойств защитной атмосферы и к экономии дорогих газов. Защита смесью газов применяется главным образом при полуавтоматической сварке. Сварку можно вести во всех пространственных положениях. Для сварки цветных и активных металлов и специальных сплавов наиболее эффективна аргоно-гелиевая смесь. Соотношение этих инертных газов в смеси может быть различным. Сварка углеродистых и низколегированных сталей этим методом экономически нецелесообразна.
Известны двойные и тройные смеси инертных и активных газов на основе аргона. Это двойные смеси Ar + О2; Ar + СО2; Ar + N2 и Аг + Н2. В тройных смесях обычно используют в разных соотношениях аргон, углекислый газ и кислород. Смеси инертных и активных газов в нашей стране не нашли широкого промышленного применения. В литературе имеются данные о возможности использования многокомпонентных смесей.
Для сварки пригодны смеси активных газов СО2 + О2 и СО2 + N2, но особенно смесь СО2 + О2, которую используют для изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Добавление к углекислому газу кислорода в количестве до 30% несколько снижает разбрызгивание, улучшает формирование шва и снижает стоимость защитной атмосферы. Немного повышается стойкость металла шва против образования пор, вызванных водородом. По остальным показателям качество швов, выполненных в смеси углекислого газа и кислорода, не уступает качеству швов, выполненных в углекислом газе. Для сварки в рассматриваемой смеси применяют стандартные проволоки сплошного сечения, что и для сварки в углекислом газе. Сварка в смеси СО2 + О2 возможна во всех пространственных положениях.
Сварка без дополнительной защиты. Практическое применение находит сварка активированной проволокой сплошного сечения и порошковой проволокой. Сварку можно вести во всех пространственных положениях.
Сварка активированной проволокой. При сварке в атмосфере воздуха проволоками сплошного сечения из низкоуглеродистой стали расплавленный металл обогащается азотом и кислородом, что приводит к образованию пор и резкому снижению качества металла шва. В состав активированной проволоки в связи с этим кроме легирующих элементов вводят раскислители и элементы, понижающие растворимость азота в жидком металле. Эти элементы (алюминий, титан, церий, цирконий и др.) связывают азот в стойкие нитриды, относительно мало влияющие на пластичность и вязкость металла шва с ферритной структурой. При сварке активированной проволокой удается обеспечить требуемое качество шва без дополнительной защиты.
В настоящее время практическое применение находит проволока Св-20ГСТЮА с церием и проволока Св-15ГСТЮЦА. Первая пригодна для сварки арматуры из углеродистой стали во всех пространственных положениях, кроме потолочного, на постоянном токе обратной полярности. Проволока Св-15ГСТЮЦА служит для сварки конструкций из углеродистых и марганцовистых сталей во всех пространственных положениях на постоянном токе прямой полярности. Преимущество сварки активированной проволокой — возможность выполнения работ в любых атмосферных условиях. Наличие ветра, сквозняка, осадков не влияет на стабильность защиты.
Активированную проволоку (диаметром 1—2 мм) используют в основном при полуавтоматической сварке. Наличие на поверхности основного металла окалины, ржавчины и следов масла относительно мало влияет на качество шва.
Сварка порошковой проволокой. Для сварки без дополнительной защиты применяют порошковые проволоки различного состава (см. § 7-2). При сварке этими проволоками обеспечивается изоляция сварочной ванны от окружающего воздуха и легирование металла шва. При полуавтоматической сварке порошковой проволокой достигается хорошее формирование шва и незначительный коэффициент набрызгивания металла.
§ 3-4. Особые методы дуговой сварки
Дуговая сварка без перемещения (подачи) электрода. При сварке электрозаклепками дуговой процесс идет без подачи электродной проволоки в зону дуги (рис. 3-7). Стержень из электродной проволоки диаметром 3—6 мм укрепляют в специальном держателе—заклепочнике и прикасают к изделию в месте, где должна быть электрозаклепка. Пространство вокруг электрода засыпают флюсом. Напряжение от источника питания постоянного или переменного тока подводится к свариваемой детали и электродному стержню (через токоподводящее устройство закле- почника). При включении тока конец электрода в месте его соприкосновения со свариваемой деталью расплавляется. Возбуждается дуга, которая, оплавляя конец электрода и заваривая точку, удлиняется до естественного обрыва. Этот же принцип используется для заварки отверстий в металле.
Существует много типов электрозаклепочников. В серийном и массовом производстве применяют машины для сварки нескольких электрозаклепок —• многоточечные машины. В зону дуги при сварке электрозаклепок может подаваться также защитный газ. Для получения электрозаклепок пригодна и тонкая электродная
Рис. 3-7. Дуговая сварка точками без подачи электрода:Рис. 3-7. Дуговая сварка точками без подачи электрода:
Рис. 3-7. Дуговая сварка точками без подачи электрода:
Рис. 3-7. Дуговая сварка точками без подачи электрода:
/ — положение элек- 2 — процесс сварки; трода перед свар- 3 — готовая точка кой,
Рис. 3-8.Вибродуговая наплавка/ — наплавляемая деталь,2 — сопло для подачн охлаждающей жидкости на де-3 — сопло для подачи охлаждающей жидкости в зону ДУГИ,4— электродная проволока,5 — механизм подачн проволоки,б — механизм вибрацииРис. 3-8.Вибродуговая наплавка/ — наплавляемая деталь,2 — сопло для подачн охлаждающей жидкости на де-3 — сопло для подачи охлаждающей жидкости в зону ДУГИ,4— электродная проволока,5 — механизм подачн проволоки,б — механизм вибрации
Рис. 3-8.
Вибродуговая наплавка
/ — наплавляемая деталь,
2 — сопло для подачн охлаждающей жидкости на де-
3 — сопло для подачи охлаждающей жидкости в зону ДУГИ,
4— электродная проволока,
5 — механизм подачн проволоки,
б — механизм вибрации
Рис. 3-8.
Вибродуговая наплавка
/ — наплавляемая деталь,
2 — сопло для подачн охлаждающей жидкости на де-
3 — сопло для подачи охлаждающей жидкости в зону ДУГИ,
4— электродная проволока,
5 — механизм подачн проволоки,
б — механизм вибрации
проволока, закрепляемая в обычных держателях для полуавтоматической сварки. Процесс сварки в этом случае отличается от процесса сварки швов только отсутствием перемещения дуги вдоль свариваемого изделия.
Вибродуговая наплавка. Разновидностью стационарного дугового процесса является используемый в сварочной технике прерывистый дуговой процесс, получивший название вибродугового (рис. 3-8). При помощи электромагнитного или другого механизма тонкая электродная проволока подается к изделию и отводится от него с частотой до 100 раз в секунду. При этом конец электрода претерпевает возвратно-поступательное перемещение с амплитудой 0,5—3 мм.
К электроду и изделию подводится напряжение от источника питания постоянного или переменного тока. В конечный момент подачи электрода к изделию происходит короткое замыкание электрической цепи. В этот период за счет теплоты, выделяемой в месте контакта электрода с изделием, образуется перемычка из жидкого металла.
В следующий момент, при принудительном отходе электрода от изделия, перемычка разрывается и возникает дуговой разряд. В период дугового разряда происходит плавление основного и электродного металлов и перенос жидкого электродного металла на изделие. По мере отхода конца электрода от изделия дуга растягивается и обрывается. Продолжительность горения дуги может изменяться в зависимости от характеристики источника питания. Дойдя до крайнего положения, электрод начинает снова приближаться к изделию, пока вновь не наступит короткое замыкание. Далее процесс повторяется. Для охлаждения детали и защиты сварочной ванны от окружающего воздуха на деталь через специальные сопла подается струя жидкости (обычно раствор кальцинированной соды или 25%-ный раствор технического глицерина в воде). Возможен процесс с флюсовой защитой. Так как длительность существования дугового разряда составляет всего —20% времени общего цикла и чередуется с периодами полного отсутствия выделения теплоты (период холостого хода) и периодом малого его выделения (период короткого замыкания), при вибродуговом процессе обеспечиваются неглубокий
провар основного металла, большие скорости остывания металла сварочной ванны и наплавка слоя малой толщины (0,5—3 мм). Зона термического влияния невелика.
Наличие охлаждающей жидкости позволяет увеличить скорость охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, т. е. повысить его прочность и уменьшить деформации. Эти особенности вибродугового процесса послужили основанием для его применения при наплавке на детали небольшого размера с малой толщиной стенок тонкого слоя металла, к качеству которого не предъявляются высокие требования, например при восстановлении термообработанных деталей (осей, шеек валов малого диаметра, шпинделей токарных станков, автотракторных деталей).
Режим наплавки: сила тока 100—250 А, напряжение дуги 18— 25 В. Производительность процесса составляет 1—2 кг наплавленного металла в час. Структура и свойства металла шва не всегда однородны.
Сварка короткой дугой. Для соединения тонкого металла во всех пространственных положениях находит применение сварка в защитных газах короткой дугой электродной проволокой диаметром 0,7—1,2 мм при силе тока 50—175 А и напряжении дуги 12—18 В. Характерной особенностью процесса, обусловленной малым напряжением дуги, являются периодические (с частотой 20—200 раз в секунду) замыкания дугового промежутка, во время которых происходит перенос электродного металла в сварочную ванну. Процесс, несмотря на малую мощность дуги, весьма устойчив и обеспечивает равномерное проплавление основного металла.
Для сварки короткой дугой необходимы специальные источники питания с постепенным нарастанием тока короткого замыкания, обеспечивающие устойчивое возбуждение дуги. Если это условие не соблюдено, то происходит взрыв жидкой перемычки и дуга повторно не возбуждается. Наилучшие результаты для защиты Дуги дает применение смеси из нескольких газов (аргона и гелия, углекислого газа и аргона и др.). Сварка в чистом углекислом газе затруднена из-за нестабильного повторного возбуждения дуги и разбрызгивания металла.
Ваннодуговая сварка. Для соединения деталей небольшого сечения прямоугольной и цилиндрической формы и, в частности, для сварки арматуры железобетона находит применение ваннодуговая сварка, являющаяся разновидностью дуговой сварки. Источником теплоты при ваннодуговой сварке служит дуга, горящая между покрытым электродом и металлической ванной. Шов имеет небольшую протяженность, а процесс ведется непрерывно, в результате чего образуется металлическая ванна значительного объема. Расплавление кромок свариваемого металла для этого случая достигается не только за счет непосредственного воздействия сварочной дуги, но и за счет теплоты, выделяемой металлической ванной.
Рис. 3-9. Ваннодуговая сварка:Рис. 3-9. Ваннодуговая сварка:а — сварка одним электродом на остающейся подкладке, б — сварка несколькими электродами на съемной подкладкеа — сварка одним электродом на остающейся подкладке, б — сварка несколькими электродами на съемной подкладке
Рис. 3-9. Ваннодуговая сварка:
Рис. 3-9. Ваннодуговая сварка:
а — сварка одним электродом на остающейся подкладке, б — сварка несколькими электродами на съемной подкладке
а — сварка одним электродом на остающейся подкладке, б — сварка несколькими электродами на съемной подкладке
Для удержания жидкого металла служат остающиеся стальные или съемные керамические и медные подкладки-формы (рис. 3-9, а, б), с трех сторон охватывающие место стыка. Подача электрода по мере его плавления в зону дуги осуществляется вручную или полуавтоматом. При некоторых условиях дуговой процесс может переходить в электрошлаковый. Источником теплоты в этом случае служит металлическая или шлаковая (образовавшаяся за счет плавления покрытия электродов) ванна. В зависимости от
количества электродов различают одноэлектродную и многоэлектродную (двумя электродами, пучком, гребенкой) ваннодуговую сварку. Многоэлектродная сварка может осуществляться от однофазных или трехфазных источников питания.
Сварка лежачим и наклонным электродом. В последнее время достаточно широкое применение нашли давно известные, но мало используемые ранее способы сварки наклонным (гравитационная сварка, рис. 3-10) и лежачим электродом. Интерес к этим способам обусловлен усовершенствованием оборудования и улучшением качества электродов. Это позволяет одному рабочему обслуживать три-четыре поста, что обеспечивает повышение производитель
ности труда даже по сравнениюности труда даже по сравнениюс полуавтоматической сваркой.Электроды, применяемые для сварки лежачим электродом, состоят из внутреннего стержня, нанесенного на него слоя покрытия и наружной оболочки круг-Рис. 3-10. Сварка наклонным электродом:/ — электрод;2 — штатив Стрелкой указано направление перемещения втулки штативас полуавтоматической сваркой.Электроды, применяемые для сварки лежачим электродом, состоят из внутреннего стержня, нанесенного на него слоя покрытия и наружной оболочки круг-Рис. 3-10. Сварка наклонным электродом:/ — электрод;2 — штатив Стрелкой указано направление перемещения втулки штатива
ности труда даже по сравнению
ности труда даже по сравнению
с полуавтоматической сваркой.
Электроды, применяемые для сварки лежачим электродом, состоят из внутреннего стержня, нанесенного на него слоя покрытия и наружной оболочки круг-
Рис. 3-10. Сварка наклонным электродом:
/ — электрод;
2 — штатив Стрелкой указано направление перемещения втулки штатива
с полуавтоматической сваркой.
Электроды, применяемые для сварки лежачим электродом, состоят из внутреннего стержня, нанесенного на него слоя покрытия и наружной оболочки круг-
Рис. 3-10. Сварка наклонным электродом:
/ — электрод;
2 — штатив Стрелкой указано направление перемещения втулки штатива
лой или другой формы, имеющей продольный паз. Наличие паза приводит к концентрации дуги на противоположной ему поверхности электрода и стабилизации процесса сварки. Ток подводится к внутреннему стержню и наружной оболочке. При сварке наклонным и лежачим электродами обеспечивается хорошее формирование шва.
§ 3-5. Электрошлаковая сварка
Электрошлаковую сварку производят при вертикальном или близком к нему положении оси шва (с углом наклона до 30° к вертикали). Благодаря совпадению оси шва с направлением силы тяжести значительно облегчается всплывание газовых пузырей, шлака и других легких примесей и удаление их из металла. Улучшается заполнение металлом междендритных пустот. В результате склонность к образованию пор и других неплотностей при электрошлаковой сварке во много раз ниже, чем при дуговой сварке в нижнем положении: меньше чувствительность к влажности шлака, ржавчине и загрязнениям кромок.
Вследствие благоприятного направления роста кристаллов в большинстве случаев отсутствует так называемая зона слабины, наблюдаемая в швах большого сечения, сваренных в нижнем положении. Это же обстоятельство значительно снижает склонность швов к образованию горячих трещин. Температурные условия в околошовной зоне характеризуются как большей погонной энергией по сравнению с отдельным слоем многослойной сварки, так и предварительным подогревом, создаваемым шлаковой ванной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой ванны, а плавиться они начинают в непосредственной близости от металлической ванны. Между началом подогрева и плавлением проходит 2—3 мин и более, вследствие чего снижаются скорости нагрева и последующего охлаждения металла.
Так как электрошлаковая сварка толстого металла производится в один проход, то устраняется наиболее распространенный дефект многослойной сварки — шлаковые включения от неудаленного сварочного шлака. Металл любой толщины сваривают без снятия фасок; разделка образуется зазором между прямыми кромками. Благодаря этому стоимость подготовки кромок снижается в несколько раз. Подготовку кромок производят, как правило, машинной газовой резкой. Однако и механическая обработка кромок под электрошлаковую сварку обходится значительно дешевле, чем под дуговую. При прогибе длинной пластины или неточной форме обечайки получение заданного скоса кромки механической обработкой сильно затруднено, прямые же кромки легко обрабатываются при любых искривлениях. Значительно облегчается строгание кромок пакетом.
Благодаря симметричности разделки и положения в ней электродов отсутствуют угловые деформации свариваемых листор.
При электрошлаковой сварке следует различать расчетные, сборочные и сварочные зазоры. Расчетный зазор — это фиктивная величина, на основании которой подсчитывают размеры свариваемых деталей. Величины расчетных зазоров приведены в ГОСТ 15164—69. Сборочный зазор превышает расчетный на величину ожидаемой деформации. Он обычно не одинаков по длине стыка и расширяется кверху. Сварочный зазор — это зазор в месте сварки. Он является элементом режима, так как от него зависит скорость сварки.
Электрошлаковый процесс возможен при различных сечениях и формах электродов, начиная с проволок диаметром меньше миллиметра и кончая пластинами сечением в десятки квадратных сантиметров. Наиболее часто применяют проволоки диаметром 3 мм или пластины толщиной 8—12 мм и шириной на 15—20 мм меньше толщины свариваемого металла.
При большом диаметре сварочной проволоки и толщине металла до 60—100 мм мундштук может оставаться вне разделки. Проволока проходит через аппарат, изгибается и подается в разделку по дуге окружности с таким расчетом, чтобы на уровне поверхности металлической ванны ось проволоки совпадала с осью шва. Этим обеспечиваются постоянство положения электрода относительно оси разделки при колебаниях уровня металлической ванны и непрерывный подогрев поверхности металлической ванны. При больших толщинах металла и малом диаметре электрода такая схема не обеспечивает точного направления электрода, мундштук приходится вводить внутрь разделки. При этом электрод выпрямляется внутри разделки, чем обеспечивается совпадение осей шва и электрода независимо от положения металлической ванны.
При сварке проволокой формирование лицевой стороны шва (со стороны аппарата) выполняется скользящим ползуном. Для обратной стороны шва применяют ползуны, неподвижные медные подкладки или стальные привариваемые подкладки. Во всех случаях, где это возможно, предпочтение следует отдавать ползуну. Он требует меньше времени на установку, меньшего расхода меди и затрат на изготовление, не требует дополнительных устройств для крепления, обеспечивает хороший обзор сварочного пространства, позволяет продолжать сварку при выходе из строя верхнего мундштука. Медную подкладку и остающуюся подкладку применяют в недоступных при сварке местах или при очень неровной поверхности изделия.
При сварке плавящимся мундштуком и пластиной основным элементом формирующего устройства является медная подкладка. Однако в доступных местах при удовлетворительной поверхности ее следует заменять ползунами. Привариваемая подкладка удобна там, где ее можно использовать как сборочную. Однако применять ее следует осторожно, так как создается концентрация напряжений (особенно при угловых швах) и могут возникнуть трещины.
Кроме того, привариваемая подкладка требует большого расхода металла, а подгонка ее к неровной поверхности затруднительна.
Ввиду неэлектропроводности твердого шлака для начала электрошлакового процесса его необходимо расплавить и довести до высокой температуры, при которой процесс идет устойчиво. Практически нагрев осуществляется электрической дугой, возбуждаемой между электродом и изделием внутри разделки. По мере расплавления шлак шунтирует дугу, гасит ее, и процесс переходит в электрошлаковый. Так как условия устойчивости электрошлакового процесса во многом противоположны условиям стабилизации дугового разряда, то возбуждение дуги и наплавление шлаковой ванны сопряжены с известными трудностями.
Заметно облегчить начало сварки можно уменьшением скорости подачи электродной проволоки в начале процесса до 100—120 м/ч. С этой целью механизмы подачи аппаратов для электрошлаковой сварки имеют электродвигатели с регулируемой частотой вращения. Еще больше облегчает начало сварки засыпка на дно входного кармана железного порошка слоем около 20 мм. При сварке электродом большого сечения и отсутствии железного порошка можно применять специальный флюс, электропроводный в твердом состоянии.
Сварку начинают с горизонтально расположенной пластины одинаковой толщины со свариваемыми листами (входная планка). Во избежание образования в начале шва дефектов в пластине делают вырез глубиной до 50 мм. За время заполнения выреза металлом успевает установиться процесс и несколько подогреваются кромки изделия. Перед началом сварки головку и ползун устанавливают в такое положение, чтобы сварка началась на 30—■ 50 мм ниже нормального уровня ванны. Вырез в начальной планке заваривается без подъема аппарата. После того, как уровень металлической ванны займет заданное режимом положение относительно ползуна, включается вертикальное перемещение. Повышенный вылет электрода в начале сварки ускоряет установление электрошлакового процесса.
В начале сварки часто происходит короткое замыкание электрода и его выгибание к передним или задним кромкам. Чтобы избежать при этом повреждения ползуна или подкладки, их рекомендуется защищать тонкими полосками из жести, завернутыми для изоляции в бумагу, или же тонкими деревянными пластинками. Сварку следует начинать на повышенном напряжении. После оплавления кромок изделия напряжение снижают до величины, заданной режимом.
В конце шва обычно образуется усадочная раковина глубиной до 20—30 мм. Для вывода ее за пределы шва над разделкой устанавливают выводные планки высотой не менее 80 мм. Сварку продолжают до переливания шлака через выводные планки. Данные, приведенные в табл. 3-2, действительны для низкоуглеродистых сталей. Для высокоуглеродистых и легированных сталей
123
йределы могут быть уже. Металл толщиной 16—40 ммсвари-йределы могут быть уже. Металл толщиной 16—40 ммсвари-
йределы могут быть уже. Металл толщиной 16—40 ммсвари-
йределы могут быть уже. Металл толщиной 16—40 ммсвари-
40—70 мм — одним электродом
электродов
Без
С колеба-
с колебаниями. Электрошлако-
(прово-
электродов
электродов
вую сварку металла толщиной
лок)
меньше 40 мм применяют только
1 2
16—60
60—130
До 150
» 350
взамен ручной сварки вертикальных швов, кантовка кото-
3
110—200
» 600
рых в нижнее положение невозможна или невыгодна. В дру-
Таблица 5-2
Предельная толщина металла,
свариваемого электрошлаковым способом, мм
вается одним электродом с неподвижной осью, а толщиной
гих случаях такой металл выгоднее сваривать дуговой сваркой под флюсом.
По экономическим соображениям число электродов следует увеличивать раньше, чем будет достигнут технический предел свариваемой толщины. Однако производительность сварки растет
не пропорционально числу электродов, а значительно медленнее. Если при меньшем числе электродов скорость подачи электродной проволоки была принята максимально допустимой по условиям отсутствия горячих трещин в шве, то, увеличивая их число, приходится снижать скорость подачи.
Металл толщиной 70—150 мм выгодно сваривать двумя электродами, причем для металла толщиной свыше 85 мм следует применять колебания электродов. В интервале толщин 70—85 мм размах колебаний слишком мал, и осложнять процесс колебаниями нецелесообразно. Металл толщиной свыше 150 мм сваривают, как правило, тремя электродами с колебаниями. При сварке мундштуками, вводимыми сбоку, больше трех электродов не применяют. При сварке несколькими электродами их включают в трехфазную систему питания. При этом для большей равномерности загрузки сети и оборудования число электродов желательно выбирать
кратным трем.
§ 3-6. Электроннолучевая сварка
Высокая концентрация мощности в электронных пучках и практически идеальные защитные свойства вакуума открыли возможности разработки принципиально нового сварочного процесса — электроннолучевой сварки. Ее применение при изготовлении изделий из тугоплавких и химически активных материалов (молибдена, вольфрама, ниобия, тантала и др.) позволяет получить сварные соединения с узкой зоной термического влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва вредными примесями. При сварке высокотеплопроводных материалов— меди, алюминия и их сплавов обеспечиваются высокий термический коэффициент плавления и возможность получения узких и глубоких швов при сравнительно малой мощности элек-
Рис. 3-11. Схема электроннолучевой сварки металлов малой (а) и большой (б) толщины:Рис. 3-11. Схема электроннолучевой сварки металлов малой (а) и большой (б) толщины:/ — направление перемещения изделия;— фронт кристаллизации,— пучок электронов,— направление испарения металла,/ — направление перемещения изделия;— фронт кристаллизации,— пучок электронов,— направление испарения металла,— направление выноса металла в верхней части сварочной ванны,— поперечная усадка металла сварного шва— направление выноса металла в верхней части сварочной ванны,— поперечная усадка металла сварного шва
Рис. 3-11. Схема электроннолучевой сварки металлов малой (а) и большой (б) толщины:
Рис. 3-11. Схема электроннолучевой сварки металлов малой (а) и большой (б) толщины:
/ — направление перемещения изделия;
— фронт кристаллизации,
— пучок электронов,
— направление испарения металла,
/ — направление перемещения изделия;
— фронт кристаллизации,
— пучок электронов,
— направление испарения металла,
— направление выноса металла в верхней части сварочной ванны,
— поперечная усадка металла сварного шва
— направление выноса металла в верхней части сварочной ванны,
— поперечная усадка металла сварного шва
тронных пучков. При сварке изделий из сталей обеспечивается большая глубина проплавления и, следовательно, высокая производительность процесса при изготовлении конструкций из толстостенных заготовок.
Параметрами процесса электроннолучевой сварки являются ускоряющее напряжение (Пуск); сила тока пучка (/п); расстояние от пушки до изделия (d) и от пушки до плоскости фокусировки пучка (6); скорость сварки (псв); вакуум (р). Изменяя перечисленные параметры процесса сварки, удается в широких пределах изменять форму проплавления.
Сварку тонколистовых металлов (6 ^ 1—3 мм) обычно выполняют расфокусированным пучком электронов при небольших значениях удельной мощности в пятне нагрева. По термодеформационному циклу такая сварка почти не отличается от аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (рис. 3-11).
При сварке толстолистовых металлов используют острофокус ные пучки электронов. Процесс сварки толстолистового металла состоит из следующих этапов. В начале ввиду высокой концентрации энергии в пятне нагрева и высокого температурного градиента происходит преимущественное испарение металла. Далее, по мере нагрева, металл плавится и образуется сварочная ванна. Потоки паров, истекая в вакуум, силой реакции воздействуют на жидкий металл, вытесняя его из зоны нагрева. При этом оголяемые глубинные слои металла, воспринимая энергию электронов, плавятся, испаряются и вытесняются, пока не наступает Динамическое равновесие всех сил, действующих на жидкий металл. В результате в его толще образуется канал с большим отно-
шением глубины к диаметру. Воспринимающая энергию электронного пучка боковая поверхность канала имеет площадь, во много раз превышающую сечение пучка. Канал устойчив, так как при заполнении хотя бы части его жидким металлом резко увеличивается количество поглощаемой этим металлом энергии, он вскипает и испаряется.
Характерной особенностью электроннолучевой сварки при высокой плотности мощности являются большие скорости переноса жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации. В верхней части сварочной ванны жидкий металл выносится на поверхность свариваемого изделия и образует усиление, площадь поперечного сечения которого достигает 10—15% общей площади поперечного сечения проплавления. Колебания глубины проплавления присущи электроннолучевой сварке толстого металла, но при правильной фокусировке и стабильных параметрах пучка они не превышают 5% общей глубины проплавления.
При недофокусированном пучке увеличивается плотность энергии в основании канала. Сварные швы получаются нестабильными по глубине проплавления, в корне шва образуется много дефектов. При перефокусировке пучка канал может иметь местное сужение, что затрудняет удаление газов и вызывает пористость шва. Оптимальной в большинстве случаев является фокусировка пучка несколько выше заданной глубины проплавления. При этом глубина проплавления близка к максимальной, а изменения ее величины не превышают 5%.
В ряде случаев целесообразно колебать пучок электронов поперек стыка, вдоль стыка или разворачивать его по окружности. Колебания расширяют технологические возможности и могут быть рекомендованы для улучшения структуры, механических свойств и сплошности металла шва; предотвращения частичного несплавления кромок с обратной стороны шва, особенно при сварке металлов больших толщин; сварки разнородных металлов; соединения трудносвариваемых металлов через переходной металл. Для поступательного переноса пучка электронов необходимы специальные отклоняющие катушки, осуществляющие двойное преломление траектории электрона.
Сварка тугоплавких металлов. Электронным лучом свариваются тугоплавкие металлы толщиной от нескольких десятых миллиметра до 10 мм и более. Сварку следует выполнять на режимах с минимальной погонной энергией, что обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва и минимальные размеры зоны термического влияния. Приспособления для сварки не должны препятствовать усадке сварного соединения при кристаллизации и охлаждении металла.
Перед сваркой изделия необходимо его тщательно зачищать вблизи шва и околошовной зоны и подвергать травлению для удаления окисных пленок. Расслоения на свариваемых кромках следует удалять шлифованием. Перед сваркой целесообразно очищать
поверхность зоны шва, нагревая ее расфокусированным электронным лучом.
При электроннолучевой сварке тантала и ниобия удается получать сварные соединения, которые при температурах выше 1100° С практически равнопрочны основному металлу. Ниобий и тантал обладают неограниченной взаимной растворимостью и поэтому хорошо свариваются между собой.
Удовлетворительно свариваются технический ванадий, сплавы ванадия с вольфрамом (до 12% W).
При сварке изделий из молибдена и вольфрама возникают определенные трудности ввиду низкой пластичности сварных швов при нормальной температуре, склонности их к образованию трещин и хрупкому межкристаллитному разрушению.
Сварка разнородных металлов. Электроннолучевую сварку эффективно используют для соединения изделий из разнородных металлов. Параметры электронного луча в процессе сварки необходимо строго контролировать, а распределение мощности между свариваемыми кромками регулировать с помощью отклоняющей системы.
Благодаря возможности сварки-пайки без оплавления более тугоплавкого металла сводится к минимуму образование интерметаллических соединений. Толщина интерметаллической прослойки по плоскости спая при этом не превышает нескольких десятков микрометров, и поэтому интерметаллические прослойки не оказывают существенного влияния на прочность и пластичность сварного соединения.
В начале процесса сварки большая мощность электронного луча затрачивается на предварительный высокотемпературный нагрев более тугоплавкого металла, а затем электронный луч переводится преимущественно на оплавляемый металл.
Типичными примерами соединений разнородных металлов являются соединения меди с ниобием или молибденом, вольфрама с ниобием, меди с нержавеющей сталью. При невозможности непосредственного соединения разнородных металлов применяют специальные многослойные вставки, изготовляемые, например, на станах вакуумной прокатки. Ввиду малого коэффициента формы шва при электроннолучевой сварке удается до минимума снизить ширину вставки. Для соединения титановых сплавов с нержавеющей сталью используют многослойные, вставки с крайними компонентами из титана и стали и промежуточными слоями из ванадия и меди.
Сварка сталей. Применение электроннолучевой сварки для соединения трудносвариваемых высоколегированных сталей и сплавов аустенитного класса позволяет повысить стойкость швов против образования горячих трещин. Сварку необходимо выполнять со средней или небольшой скоростью и максимально достижимой удельной мощностью в пятне нагрева. При хорошо сваривающихся сталях электроннолучевую сварку применяют для
осуществления соединений в труднодоступных местах (например, на дне глубокой и узкой разделки кромок) или в случае, когда допускается только присущее электроннолучевой сварке глубокое и узкое проплавление с минимальными размерами зоны термического влияния и минимальными деформациями.
Возможно соединение высокопрочных сталей в термоупрочненном состоянии без последующей термообработки. Для этого следует обеспечить минимальное тепловложение в шов, достаточное лишь для получения полного проплавления, а также максимальную скорость сварки (табл 3-3).
Сварка алюминиевых сплавов. Присутствие поверхностных тугоплавких окисных пленок затрудняет получение хорошего сварного соединения на сплавах алюминия. Хорошие результаты дает применение для сварки алюминия и его сплавов импульсно- модулированного по амплитуде пучка электронов. В процессе импульсной сварки теплота выделяется во внутренних слоях металла под поверхностным слоем окислов, вследствие чего внутренние слои металла быстро расплавляются и частично испаряются. Этот процесс действует подобно взрыву — окисные пленки металла не препятствуют сплавлению кромок.
Из всех источников сварочного нагрева плавлением только электронный луч позволяет получать соединения термически упрочняемых и нагартованных сплавов систем А1—Mg, Al—Zn— Mg—Cu, Al—Си—Мп без существенного разупрочнения около- шовной зоны. Коэффициент прочности сварных соединений на сплаве АМгб 0,95—1,00; на сплавах АЦМ, Д20 и В95 0,75—0,85, что на 15—-25% выше соответствующих значений для дуговых способов сварки.
При подборе режимов сварки необходимо учитывать, что при наличии легирующих элементов с высокой упругостью паров (цинка, магния) наблюдается резкое повышение глубины проплавления по сравнению со швами на сплавах алюминия с медью и марганцем.
Таблица 3-3
Режим сварки и результаты механических испытаний сварных соединений некоторых сталей
Металл
§8 н В
Режим сварки
Свойства соединений
U
< 2
s'
2
2
2 2
5
2
Сталь 20ХЗМВФ
15
74,1
84,3
12,8
58,0
4,5
Шов
—
30
180
20
77,8
87,6
12,0
54,2
11,2
Сталь ВНС2
(Х15Н5Д2Т)
10
—
—
—
118,8
130,4
15,6
57,0
13,2
Шов
—
25
400
70
108,5
113,5
11,7
62,4
12,6
Таблица 3-4
Режимы сварки и механические свойства швов на некоторых алюминиевых сплавах
Металл
Толщина,
Режим сварки
Свойства соединений
Ууск’ кВ
'п- мА
V . v св’ м/ч
кгс/мм2
ан’ кгс«м/см2
а, градусы
3+3
15
70
90
32,8
3,0
90
АМгб
10+10
20
140
72
33,0
3,2
—
30+30
23
180
30
31,0
2,8
—
2,5+2,5
20
80
90
33,1
2,1
78
Д20
4,5+4,5
22
150
60
35,5
1,8
65
В95
ю+ю
23
195
72
44,8
0,8
—
Для уменьшения пористости швов свариваемые кромки необходимо подвергать химическому полированию или химическому травлению с последующим шабрением. Химически полированные поверхности менее склонны к дальнейшему окислению и гидратации, что позволяет выдерживать их более длительное время от момента обработки до сварки. Присадочную проволоку также следует подвергать химическому полированию.
Сварку алюминиевых сплавов необходимо выполнять на высокой скорости (60—-90 м/ч), что повышает плотность соединения и снижает потери легколетучих легирующих элементов (табл. 3-4).
Основные типы сварных соединений и техника их выполнения. Для электроннолучевой сварки характерны как обычные типы соединений, так и принципиально новые. Общее требование ко всем типам соединений — точная сборка деталей перед сваркой. Обычно отклонение оси пучка электронов от сварного стыка в процессе сварки не должно превышать 0,2—-0,3 мм. При толщине свариваемых пластин до 5 мм допустимая величина зазора, как правило, не превышает 0,05—0,07 мм. При увеличении толщины пластин до 20 мм допустимая величина зазора возрастает до 0,1 мм, но не более.
При увеличении зазоров свыше указанных пределов получить удовлетворительное формирование стыковых швов без подрезов практически невозможно. Наиболее эффективным способом устранения подрезов является подача присадочной проволоки или же сварка по технологическим буртикам, оставляемым при механической обработке стыков. Сварка с присадочной проволокой позволяет увеличить допустимый зазор в стыке до 0,5 мм, кроме того, становится возможным металлургическое вмешательство с целью предупреждения возникновения трещин. При сварке без зазоров доля проволоки в металле шва при толщине основного металла до 20 мм составляет около 25%. Изменяя величину
9 Заказ Л1 782 129
зазора в стыке и скорость подачи проволоки, можно довести долю присадочного металла до 50%.
Электроннолучевую сварку с отбортовкой кромок на телах вращения применяют преимущественно в радиоэлектронике и приборостроении. В торцовых и стыковых соединениях с отбортовкой кромок допустимы зазоры до 0,5—0,7 мм и превышение кромок до 1—2 мм. Однако в этом случае для обеспечения удовлетворительного формирования шва диаметр пятна на изделии должен несколько превышать величину зазора.
Сварку металлов, значительно отличающихся по толщине (например, приварка мембраны к корпусу и т. п.), выполняют с предварительной разделкой кромок металла большей толщины для выравнивания теплового поля в соединяемых деталях и достижения симметричного проплавления.
Импульсную электроннолучевую сварку благодаря малому тепловложению применяют при наличии в непосредственной близости от места сварки спаев металла со стеклом или керамикой. Она способствует получению определенной ориентации кристаллитов металлов сварного шва, обеспечивающей вакуумную плотность сварных соединений в течение длительного времени эксплуатации. При тех же погонной энергии и скорости сварки проплавление в импульсном режиме глубже, чем в непрерывном, особенно для тонколистовых материалов.
Сварка в узких разделках и труднодоступных местах (рис. 3-12, а) является одним из преимуществ электроннолучевой сварки перед известными способами сварки плавлением и возможна благодаря малым размерам пучка в сечении, его длин-
Рис. 3-12. Некоторые типы соединений при электроннолучевой сварке:Рис. 3-12. Некоторые типы соединений при электроннолучевой сварке:а — сварка в узких разделках и труднодоступных местах,б — однопроходная сварка проникающим лучом;а — сварка в узких разделках и труднодоступных местах,б — однопроходная сварка проникающим лучом;в — сварка через ребро жесткости; г — вварка заглушек
Рис. 3-12. Некоторые типы соединений при электроннолучевой сварке:
Рис. 3-12. Некоторые типы соединений при электроннолучевой сварке:
а — сварка в узких разделках и труднодоступных местах,
б — однопроходная сварка проникающим лучом;
а — сварка в узких разделках и труднодоступных местах,
б — однопроходная сварка проникающим лучом;
нофокусности и автономности по отношению к свариваемому материалу. Однопроходную сварку расположенных на различной высоте стыков проникающим пучком (рис. 3-12, б) выполняют в редких случаях, так как она не обеспечивает достаточно стабильного формирования швов. В некоторых конструкциях теплообменников (рис. 3-12, в) сварку выполняют внедренным пучком через ребро жесткости. Для исключения концентраторов напряжения в корне проплавления, предотвращения дефектов в нем, а также для выхода парогазовой фазы при вварке заглушек необходимо подготовлять соединения в соответствии с рис. 3-12, г.
§ 3-7. Сварка лазерным излучением
Влияние параметров на размеры сварочной ванны. Режим импульсной лазерной сварки определяется вводимой в свариваемые детали энергией лазерного излучения Q, длительностью импульса / и радиусом светового пятна на облучаемой поверхности свариваемых деталей г;. От перечисленных параметров зависит освещенность в пятне Е = —обобщенный лгр
и усредненный по длительности импульса и площади пятна энергетический параметр. С учетом поглощательной способности поверхности металла Л плотность тепловой мощности в пятне Ео = = А —Я—. Полную характеристику режима сварки дают сочета
ния параметров Q, t, rt или Е, t, г;.
Влияние технологических параметров на геометрические размеры сварочной ванны определяется как величиной самих параметров, так и формой и размерами свариваемых деталей, а также и теплофизическими характеристиками основного металла.
Зависимость глубины проплавления h тантала от длительности импульса, показанная на рис. 3-13, получена при беспичко- вом режиме генерации. Особенность этой зависимости состоит в том, что при малых значениях длительности светового импульса / глубина проплавления растет медленно, а при значениях t выше некоторого, характерного для данного значения Е, рост h. существенно увеличивается и становится примерно пропорциональным t. Кривая 2 на рис. 3-14 содержит эти два участка зависимости. С увеличением Е длина медленно растущего участка резко сокращается.
Зависимость глубины проплавления от освещенности в пятне, при прочих равных условиях, может быть различной. При малых значениях освещенности наблюдается медленное возрастание глубины проплавления, а при больших — быстрое возрастание. В случае беспичковой структуры генерации переход между этими двумя участками весьма резкий.
С увеличением освещенности в области плавления металла (исключая область сверления) диаметр расплавленной зоны
Рис. 3-13. Зависимость глубины проплавления металла от длительности импульса излучения при значениях освещенности:Рис. 3-13. Зависимость глубины проплавления металла от длительности импульса излучения при значениях освещенности:Рис. 3-14. Зависимость диаметра зоны проплава (/) и коэффициента формы проплава (2) от средней освещенности в световом пятнеРис. 3-14. Зависимость диаметра зоны проплава (/) и коэффициента формы проплава (2) от средней освещенности в световом пятне/ — 0,78-10® Вт/см2, 2—1,04-10» Вт/см2, 3 — 1,25- 10® Вт/см2, 4 — 1,51- 10® Вт/см2
Рис. 3-13. Зависимость глубины проплавления металла от длительности импульса излучения при значениях освещенности:
Рис. 3-13. Зависимость глубины проплавления металла от длительности импульса излучения при значениях освещенности:
Рис. 3-14. Зависимость диаметра зоны проплава (/) и коэффициента формы проплава (2) от средней освещенности в световом пятне
Рис. 3-14. Зависимость диаметра зоны проплава (/) и коэффициента формы проплава (2) от средней освещенности в световом пятне
монотонно возрастает, а коэффициент формы проплавления соответственно уменьшается (см. рис. 3-14).
Влияние расфокусировки на глубине проплавления металла зависит от того, где размещено наименьшее сечение светового пучка — под облучаемой поверхностью (положительная расфокусировка) или над ней (отрицательная расфокусировка). В области положительных расфокусировок эта зависимость имеет максимум и глубина обработки изменяется более резко, чем при отрицательных расфокусировках (рис. 3-15).
Несмотря на большую глубину проплавления, достигаемую при положительных расфокусировках, практически использовать указанное преимущество трудно, так как глубина проплавления в этом случае более чувствительна к изменению величины расфокусировки, чем в случае отрицательных расфокусировок, а это приводит к нестабильности режима сварки.
Подбор оптимального режима сварки осуществляется измене- ниём энергии излучения, диаметра пятна излучения и длительности
Рис. 3-15. Влияние на глубину проплавления никеля удаления наименьшего сечения сфокусированного пучка от облучаемой поверхности Участок, расположенный между стрелками, соответствует разрушению металла
импульса. Энергия излучения регулируется изменением напряжения накачки, диаметра отверстия диафрагмы и набором оптических фильтров. Последние расположены перед фокусирующей линзой. Два первых метода регулирования технологически менее удобны, чем третий, при котором проплавление металла практически прямо пропорционально плотности мощности в пятне. Наиболее невыгодно варьировать напряжение накачки, так как при этом изменяются длительность и пичковая структура лазерного излучения.
Применение поляризационных ослабителей (например, призмы Плана или стопы из плоскопараллельных пластин) в сварочных установках с рубиновым лазером позволяет осуществить плавную регулировку выходной энергии без изменения других параметров сварочного режима. Недостатком этого метода являются высокая стоимость поляризационных призм, большие габаритные размеры стопы пластин.
Диаметр светового пятна на поверхности детали можно регулировать, изменяя фокусное расстояние фокусирующей линзы, или же расфокусируй излучение. Технологически более удобным является последний метод.
Технологические особенности. Лазерную сварку можно с успехом применять для получения различных типов сварных соединений из многих однородных и разнородных металлов. При сварке стыковых соединений возможны три технологические схемы нагрева:
Фокусировка пятна нагрева на стык соединения при примерно сходных теплофизических свойствах свариваемых металлов. В результате получается практически симметричный сварной шов.
Смещение пятна нагрева в сторону более тугоплавкого металла. Эту схему применяют в том случае, когда один из свариваемых металлов значительно более тугоплавкий. При этом происходит преимущественный нагрев и плавление более тугоплавкого металла. Плавление менее тугоплавкого металла осуществляется за счет теплоты, передаваемой его кромке от расплава.
Сварка с преимущественным нагревом менее тугоплавкого металла. В этом случае сварное соединение образуется в результате процесса сварки-пайки.
Импульсная лазерная сварка стыковых соединений требует тщательной подгонки кромок свариваемых деталей. Необходимо обеспечить отсутствие скоса и повреждений кромок. В противном случае шов получится ослабленным (в результате отсутствия присадочного материала) либо при чрезмерно большом зазоре кромки оплавятся без образования общей сварочной ванны.
Сварка нахлесточных соединений возможна по двум схемам:
Сварное соединение образуется в результате плавления обоих металлов. Схема применяется, если теплофизические свойства металлов близки или верхний из металлов, нагреваемый
133
непосредственно лазерным излучением, имеет значительно большую температуру плавления (при достаточной его толщине).
Сварное соединение образуется только в результате процесса сварки-пайки с плавлением верхнего листа, если верхний лист менее тугоплавкий либо имеет значительно меньшую толщину, чем нижний Увеличение жесткости режима сварки не позволяет получить общую для двух металлов сварочную ванну, а приводит к выплеску жидкого металла и образованию отверстия в верхней детали без плавления нижней
При сварке нахлесточных соединений из тонких листов необходим хороший тепловой контакт между ними. Допустимая величина зазора м^жду листами возрастает с увеличением толщины верхнего листа и повышением жесткости нагрева при ссаоке. Она зависит также ст свойств свариваемых металлов.
Количество энергии, поглощаемой металлом при лазерной сварке, зависит от состояния поверхности. Поглощение энергии возрастает с ухудшением обработки деталей Это влияние существенно и должно учитываться при выборе режимов сварки тонких деталей (0,15 мм менее). Так, например, при сварке стыковых соединений из тонкого металла необходимо обеспечить одинаковую чистоту обработки кромок по всей длине шва, чтобы предупредить выплески или непровары.
При сварке разнородных металлов наблюдается большая структурная неоднородность металла шва и его неравномерная микротвердость.
Качество шва зависит во многом от режима нагрева металла. При сварке с малой освещенностью в пятне металл шва плотный
Рис. 3-16. Структуры швов в стыковых соединениях никелевых пластин, сваренных на воздухе (а) и в среде аргона (б); X 115
134
и хорошо сформированный. Сварка в режиме глубокого проплавления ведет к частичному вытеснению жидкого металла, его интенсивному перемешиванию, нагреву металла сварочной ванны до температур, близких к температуре кипения, и т. д. В результате в сварном шве образуются поры, раковины и другие дефекты, количество и размеры которых пропорциональны жесткости нагрева (величине освещенности в пятне). Как правило, раковины располагаются в корне шва, но могут образовываться также в других его участках. Поры обычно располагаются на границе сплавления с основным металлом (например, при сварке никеля).
С увеличением температуры жидкого металла и площади его соприкосновения со сварочной атмосферой возрастает концентрация поглощенных им газов. В некоторых случаях это способствует образованию межкристаллитных микротрещин и повышению хрупкости металла шва. Результаты металлографического исследования показывают, что количество и размеры микротрещин в шве на молибдене пропорциональны жесткости его нагрева.
Рис. 3-17. Структуры стыковых швов на молибдене толщиной 0,3 мм, выполненных лазерной сваркой.
а — без технологической вставки;
б — с технологической вставкой из никеля, X 115
135
Применение защитной атмосферы (аргона) способствует уменьшению количества и размеров микротрещин.
Защита аргоном способствует также уменьшению пористости швов. На рис. 3-16 показано стыковое соединение никелевых пластин (толщиной 0,5 мм), выполненное шовной лазерной сваркой в режиме глубокого проплавления. В шве имеются поры, раковины, а его поверхность бугристая с окисной пленкой. Применение струйной защиты места сварки аргоном позволяет избежать указанных дефектов. Поэтому качество и прочность сварных соединений, полученных на стали, титане, тантале и других металлах с защитой инертными газами, выше, чем при сварке на воздухе. Это различие увеличивается с возрастанием жесткости нагрева.
Исследования показали, что при лазерной сварке различных металлов и сплавов, таких как алюминий, титан, медь, ниобий, тантал, бронза, стали 08кп и Х18Н9Т, их сварные соединения обладают достаточно хорошими механическими свойствами. Исключение составляют соединения стали с титаном и некоторых тугоплавких металлов, например молибдена с вольфрамом, швы которых имеют микротрещины и часто разрушаются под действием остаточных сварочных напряжений.
При лазерной сварке вольфрама и молибдена (например деталей электровакуумных приборов) возможно использование технологических вставок, при сплавлении которых с основным металлом образуется сплав с более высокими механическими свойствами. На рис. 3-17, а видно, что при лазерной сварке в аргоне листов молибдена образовалась продольная межкристаллическая трещина. Применение в этом случае никелевой вставки позволило получить сварное соединение (рис. 3-17, б) с пределом прочности при растяжении ов = 40 кгс/мм2 и углом изгиба ф = 60°.
В настоящее время лазерная сварка металлов находится на стадии внедрения в промышленность. Предполагается, что этот метод микросварки найдет применение в приборостроении, электровакуумной промышленности и микроэлектронике в основном для сварки анодно-катодных узлов, экранов и сеток ламп, контактов микрореле, тонколистовых контактных элементов, печатных схем и др.
Основной металл, свариваемость, напряжения и деформации при сварке
§4-1. Выбор основного металла
От правильного выбора металла для сварных конструкций в значительной мере зависят их эксплуатационная надежность и экономичность. В настоящее время сварные конструкции в основном изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей, а также из алюминиевых и титановых сплавов. Ниже изложены краткие характеристики металлов различных классов и рекомендации по их выбору для изготовления сварных изделий.
Конструкционные стали выплавляют в мартеновских печах или конверторах. В зависимости от степени раскисления они могут быть кипящими, спокойными и полуспокойными.
Значительная часть мягких углеродистых сталей являются кипяшдми. При их разливке, вследствие быстрого охлаждения, у стенок изложницы образуется наружный слой (корка) почти чистого железа. В процессе охлаждения и дальнейшего затвердевания жидкого металла происходит выделение газов, приводящее к образованию пузырей под затвердевшей наружной коркой. В сердцевине такого слитка скапливаются ликвирующие примеси —■ фосфор, сера и углерод. После прокатки слитков кипящей стали отчетливо различаются чистая наружная зона и внутренняя ликвационная зона, в которой наблюдаются участки с повышенным содержанием серы и фосфора, так называемые сульфидные строчки.
Спокойные стали затвердевают без кипения, что обусловлено введением в их состав элементов-раскислителей.
Важной особенностью спокойной стали является ее однородное строение. Вредные примеси — сера и фосфор распределяются в ней более равномерно, Чем в кипящей стали. Вследствие раскисления ц
одновременного частичного связывания азота спокойные стали менее чувствительны к хрупкому излому, чем кипящие. Присадкой достаточного количества алюминия, который наряду с кислородом связывает также азот, удается значительно снизить их восприимчивость к старению. Образующиеся при этом мелкодисперсные нитриды приводят одновременно к уменьшению размера зерен и тем самым к уменьшению склонности стали к хладноломкости.
В полуспокойной стали добавлено такое количество раскислителей, при котором газов выделяется меньше, чем при затвердевании кипящей стали. Благодаря меньшей степени загрязнения ликвирующими примесями головной части слитка при полуспокойной стали обеспечивается несколько больший выход годного металла, чем при кипящей стали. Слитки полуспокойной стали имеют меньшую химическую неоднородность, чем кипящей.
В связи с этим следует расширять применение полуспокойных сталей. Исследования показали, что полуспокойную низкоуглеродистую сталь СтЗпс (группы Б и В по ГОСТ 380—71) в листовом, фасонном и полосовом прокате толщиной до 10 мм включительно и в сортовом (круг, квадрат, арматура) размером до 16 мм можно применять для сварных конструкций наравне со спокойной сталью без каких-либо ограничений по температурным условиям эксплуатации и виду нагрузок. Прокат больших толщин из полуспокойной стали рекомендуется использовать в сварных конструкциях при любых нагрузках, но с некоторыми ограничениями по температуре эксплуатации. С целью снятия этих ограничений взамен толстого проката из спокойной стали ВСтЗ следует применять сталь ВСтЗГпс (ГОСТ 380—71) с повышенным содержанием марганца (до 1,1%). Это обеспечивает высокие механические свойства и ударную вязкость сварных соединений.
Основное количество стали выплавляют мартеновским способом. В последнее время находят широкое применение конверторные стали. Конверторные процессы выплавки стали имеют несколько разновидностей. Бессемеровскую и томасовскую конверторные стали выплавляют с продувкой воздухом, они характеризуются повышенным содержанием азота (0,01—0,02%). В тома- совской стали также много фосфора (0,05—0,07%). Высокое содержание этих примесей отрицательно сказывается на стойкости металла против перехода в хрупкое состояние и стойкости против старения. Поэтому стали, выплавленные этими способами, не применяют для сварных конструкций. В настоящее время развивается производство сталей в конверторах с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху. При этом содержание азота в готовом прокате не превышает 0,008%.
Низкоуглеродистые кислородно-конверторные стали в состоянии поставки практически равноценны выплавленным в мартеновских печах. По динамической (вибрационной и ударной) прочности сварные соединения из такой стали, выполненные под флюсом,
138
6 углекислом газе и штучными электродами, также не отличаютсй от изготовленных из мартенситной стали. Эти основные положительные показатели служебных свойств конверторных сталей позволяют рекомендовать их применение для сварных конструкций наравне с мартеновскими. В связи с этим в ГОСТ 380—71 способ выплавки сталей (мартеновский или конверторный) не указывается и решается металлургическими заводами в зависимости от производственных возможностей.
Состав и свойства низкоуглеродистых сталей регламентируются ГОСТ 380—71, 1050—60 и 6713—53 и подробно рассмотрены в гл. 9.
Низколегированные стали повышенной прочности поставляются по ГОСТ 5058—65 и 5520—69, а также по различным техническим условиям. Повышение предела прочности и текучести углеродистой стали обеспечивается только увеличением концентрации углерода, что ухудшает свариваемость. Нередко в швах конструкций из стали с повышенным содержанием углерода (свыше 0,3%) возникают кристаллизационные трещины, которые в процессе эксплуатации могут развиваться и быть причиной разрушения.
В связи с этим вместо сталей с повышенным содержанием углерода ВСт4, БСт5, 30, 40 и других целесообразно во многих случаях применять низколегированные стали повышенной прочности с содержанием до 0,18—0,20% С. Требуемые высокие прочностные характеристики таких сталей обеспечиваются за счет их дополнительного легирования другими элементами. Стойкость против хрупкого разрушения сварных конструкций из сталей с повышенным содержанием углерода ниже, чем из низкоуглеродистых и низколегированных. Низколегированные стали целесообразно применять в строительных конструкциях, краностроении, вагоностроении, локомотивостроении, судостроении и т. п.
Для ответственных сварных конструкций, эксплуатирующихся в районах, где температура может быть ниже —40° С, следует рекомендовать легкосвариваемые низколегированные стали 09Г2С, 14Г2АФ, 16Г2АФ, 15Г2АФДпс, 18Г2АФпс, 09Г2, 10Г2Б, 16Г2Б, 15ХСНД и 16ГС, а для конструкций, работающих при более высоких температурах,— 10ХСНД, 14Г2, 15ГС, 14ХГС и др. Временное сопротивление этих сталей для толщин до 60 мм составляет 45—55 кгс/мм2, а предел текучести 30—40 кгс/мм2. Напомним, что предел текучести стали ВСтЗ составляет всего 23—24 кгс/мм2. Низколегированные стали должны удовлетворять специальным требованиям по ударной вязкости при нормальной и низких температурах, зависящим от условий эксплуатации.
В последние годы все более широкое применение находят стали с пределом текучести свыше 60 кгс/мм2 и временным сопротивлением до 100 кгс/мм2. Они характеризуются повышенной концентрацией марганца, содержат молибден (до 0,6%) и бор (0,002—■ 0,006%). Как правило, эти стали имеют бейнитную структуру и поставляются в термообработанном состоянии (закалка и отпуск).
139
Алюминиевый сплав
б
X
К
X
О
АМг5В
2,0
1,4
1,2
АМгб
2,5
1,8
1,5
АМг61
2,7
1,9
1,6
Таблица 4-1Таблица 4-1Относительная удельная прочность при растяжении алюминиевых сплавов по сравнению со сталямиОтносительная удельная прочность при растяжении алюминиевых сплавов по сравнению со сталямиКонструкции из бейнитнЫХ сталей весьма стойки против хрупкого разрушения. В Советском Союзе к этому типу принадлежат стали 14ХМНДФР и 14Х2ГМР. Разработана технология их ручной дуговой, полуавтоматической и автоматической сварки. Эти стали находят применение в экскаваторах, шахтных подъемниках, резервуарах для хранения горючих веществ, напорных гидроприводах и т. п.
Таблица 4-1
Таблица 4-1
Относительная удельная прочность при растяжении алюминиевых сплавов по сравнению со сталями
Относительная удельная прочность при растяжении алюминиевых сплавов по сравнению со сталями
Алюминиевые сплавы все шире применяют в качестве заменителя стали благодаря следующим преимуществам (табл. 4-1): более высокой удельной прочности (отношение временного сопротивления к объемной массе); высоким механическим свойствам, в частности ударной вязкости при низких и весьма низких температурах; более высокой стойкости против коррозии.
Удельная прочность алюминиевых сплавов значительно выше, чем сталей, и особенно низкоуглеродистой стали СтЗ. Весьма важной особенностью алюминиевых сплавов является их высокая технологичность при обработке прессованием, прокаткой и ковкой. При проектировании имеется возможность выбирать наиболее эффективные и рациональные профили проката (рис. 4-1), обеспечивающие дополнительную экономию металла и снижение трудоемкости. При этом резко сокращаются объем сварочных работ и количество наплавленного металла.
Для ответственных сварных конструкций могут быть рекомендованы алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМгЗ, АМг5В, АМгб, АМг61 с пределом прочности соответственно 14, 20, 26, 32 и 34 кгс/мм2. При сварке этих сплавов околошовная зона практически не разупрочняется. Более прочные дюралюминиевые термообрабатываемые сплавы для сварных конструкций применять пока нецелесообразно, так как при сварке прочность околошовной зоны снижается. Восстановить полностью прочность путем естественного старения не удается. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести сравнительно низкий модуль упругости (в 3 раза меньше, чем у стали) и более высокий коэффициент температурного расширения. Этим обусловлены большие деформации при сварке.
Рис. 4-1. Профили из алюминиевых сплавов
Рис. 4-2. Ударная вязкость металлов:Рис. 4-2. Ударная вязкость металлов:1 — АМгб,2 — ВСтЗкп;3 — 15ГФ1 — АМгб,2 — ВСтЗкп;3 — 15ГФНа рис. 4-2 приведены кривые значения ударной вязкости, полученные при испытании алюминиевого сплава АМгб, низкоуглеродистой стали ВСтЗкп и низколегированной стали 15ГФ. Характерно, что с понижением температуры ударная вязкость алюминия почти не снижается.
Рис. 4-2. Ударная вязкость металлов:
Рис. 4-2. Ударная вязкость металлов:
1 — АМгб,
2 — ВСтЗкп;
3 — 15ГФ
1 — АМгб,
2 — ВСтЗкп;
3 — 15ГФ
Исследования статической прочности различных типов сварных соединений из алюминиевого сплава АМгб показали, что несмотря на значительную концентрацию напряжений, вызываемую накладками, статическая прочность сварных соединений с понижением температуры до —60° С не отличается от прочно-
сти при нормальной температуре. Приближения предела текучести
к пределу прочности с понижением температуры практически не наблюдается, что свидетельствует о малой склонности сплава к переходу в хрупкое состояние. Испытания сварных соединений
на ударную прочность при различных температурах также подтвердили преимущества алюминиевого сплава перед низкоуглеродистой и низколегированными сталями.
При усталостных испытаниях сварных соединений установлена
повышенная чувствительность алюминиевых сплавов к концентрации напряжений. Однако при обеспечении плавного перехода от шва к основному металлу прочность сварных соединений при переменных нагрузках практически такая же, как и самого сплава.
Из изложенного видны значительные преимущества алюми- ниево-магниевых сплавов перед низкоуглеродистой сталью и сталями повышенной прочности. Меньший эффект получается при применении алюминиевых сплавов в конструкциях вместо сталей высокой прочности с пределом текучести 50—60 кгс/мм2 и более. Однако эти стали пока еще очень мало используются. Таким образом, имеются все основания широко применять алюминиевые сплавы для сварных конструкций, в частности, эксплуатирующихся в северных районах, где температура может быть ниже —50° С.
Титан и его сплавы среди новых конструкционных материалов занимают значительное место. Титан и его сплавы обладают сравнительно малой плотностью и поэтому могут быть отнесены к числу легких металлов.
Чистый титан не находит широкого применения, так как обладает небольшой прочностью — около 25 кгс/мм2. В отличие от чистого технический титан содержит ряд примесей, из которых важнейшими являются азот, кислород, водород, а также углерод. Эти примеси повышают прочность, однако несколько снижают
пластичность металла. Такой титан с временным сопротивЛёнием 40—55 кгс/мм2 и относительным удлинением 20—30% находит применение в качестве конструкционного материала. При повышенных температурах прочность технического титана падает, однако даже при температуре 500° С все еще достигает 30 кгс/мм2.
Холодная обработка оказывает большое влияние на механические свойства титана: она снижает пластичность и повышает прочность и твердость металла. Так, 10 %-ное обжатие приводит к повышению временного сопротивления на 20—25% и снижению относительного удлинения при разрыве на 25—30%.
Титан и его сплавы обладают замечательными свойствами. Они сочетают большую прочность при нормальной и высоких температурах с весьма большой коррозионной стойкостью. Благодаря этому они являются ценнейшим конструкционным материалом в авиационной промышленности, судостроении, химическом машиностроении и других отраслях промышленности.
Титан, так же как и алюминий, весьма чувствителен к концентрации напряжений. Поэтому при работе сварной конструкции в условиях переменных нагрузок следует обеспечивать плавный переход от шва к основному металлу. Это достигается путем механической обработки либо оплавления кромок аргоно-дуговой горелкой.
§ 4-2. Свариваемость металлов и сплавов
Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие «свариваемость». Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобным физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.
В зависимости от марки основного металла и условий эксплуатации конструкции изменяется и совокупность показателей, определяющих понятие свариваемости. Так, под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и при концентрации напряжений, обусловленной формой узла.
При сварке легированных сталей, применяемых для изготовления химической аппаратуры, под свариваемостью кроме указанных выше показателей подразумевают также стойкость против образования трещин и закалочных структур в околошовной зоне и обеспечение специальных свойств (коррозионной стойкости, прочности при высоких или низких температурах). При наплавке деталей, работающих на истирание, особое значение приобретает стойкость металла шва против эрозии, т. е. постепенного разрушения его вследствие механического износа.
С развитием техники одновременно с усложнением условий работы конструкций, применением высокопрочных конструкционных материалов и предъявлением повышенных требований к работоспособности изделия увеличивается и число показателей, входящих в понятие свариваемости.
В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).
Усложнение технологии и применение специальных сварочных материалов делает изготовление сварных конструкций из этих материалов во многих случаях экономически нецелесообразным. По мере усовершенствования существующих и разработки новых сварочных процессов и сварочных материалов сокращается количество металлов и сплавов, изготовление сварных конструкций из которых не обеспечивает необходимой работоспособности и экономически нецелесообразно.
Оценку свариваемости, как правило, производят не по абсолютным величинам, а по сравнению со свойствами ранее применявшихся материалов или со свойствами основного металла. Результаты испытания на свариваемость признают удовлетворительными в том случае, если они соответствуют нормативам, установленным техническими условиями на данный вид продукции.
Ввиду того, что свариваемость определяется многими показателями, не удается создать единую методику испытания, позволяющую однозначно описать эту комплексную технологическую характеристику. Поэтому для оценки свариваемости применяют ряд испытаний. Выбор методов испытания обусловлен назначением конструкции и свойствами основного металла или сплава,
Под влиянием сварки происходят изменения структуры и свойств металлов шва и околошовной зоны по сравнению с основным металлом. В процессе кристаллизации металла шва под воздействием возникающих при сварке растягивающих напряжений возможно образование кристаллизационных трещин, являющихся весьма серьезным дефектом (см. § 6-2). Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин является одним из важнейших показателей свариваемости. В металле шва могут появиться и холодные трещины. Образование их при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей наблюдается относительно редко.
Под воздействием применяемого при сварке источника теплоты в околошовной зоне изменяется структура основного металла, что может привести к образованию околошовных холодных трещин (см. §6-3). Стойкость металла околошовной зоны против образования трещин является вторым показателем свариваемости. Образцы, применяемые в этом случае, служат и для выявления холодных трещин в металле шва.
Под воздействием сварки в металле сварного соединения происходят процессы, которые могут привести к снижению стойкости его против перехода в хрупкое состояние. Поэтому проводят испытания стойкости металла околошовной зоны и шва, а также сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние.
Обычно металл шва по химическому составу и структуре заметно отличается от основного металла. Заметные изменения происходят также в металле околошовной зоны. Это может привести к существенному отличию прочностных и других специальных характеристик металла шва и околошовной зоны от свойств основного металла. Поэтому в комплекс определения свариваемости входит проверка механических свойств металла шва и сварного соединения при различных температурах, а также стойкости против коррозии, износостойкости и других специальных характеристик.
§ 4-3. Основные методыопределения свариваемости
Применяемые на практике методы определения свариваемости используются для проверки свойств основного металла и выяснения пригодности данной технологии сварки или сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки, флюсов, защитных газов) для изготовления конструкции, соответствующей требованиям эксплуатации.
Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся испытания, применяемые при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов, новых типов конструкций и при выборе марки стали,
144
которая при данной технологии обеспечивает возможность получения качественной конструкции. Эту группу испытаний проводят, как правило, исследовательские организации в лабораторных условиях. Ко второй группе относятся испытания, применяемые при проверке кондиционности данной уже изученной марки стали или данного сварочного материала и при проверке пригодности изученной марки стали для изготовления новых конструкций. Вторую группу испытаний, как правило, производят в заводских условиях.
Методы определения показателей свариваемости можно разделить на прямые, при которых оценку производят путем сварки образцов заданной конструкции, и на косвенные, при которых сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытания следует рассматривать только как предварительные. Результаты их в большинстве случаев должны быть проверены путем прямых испытаний. Методы определения показателей свариваемости весьма разнообразны и многочисленны. В литературе описано более 200 таких методик. Тип образца обычно выбирают исходя из стремления максимально приблизить условия его испытания к условиям эксплуатации конструкции.
Определение стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Для определения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин используют ряд технологических проб.
Наибольшее распространение находят образцы, имитирующие реальные сварные соединения (тавровые, стыковые). Форму и размеры таврового образца для испытания угловых швов выбирают в соответствии с данными, приведенными на рис. 4-3, а и
Рис. 4-3. Образцы для определения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин
а — тавровое соединение, б — стыковое соединение, s — толщина металла, Lx = L — 40 мм, В = 180 мм
10 Заказ № 782J45
Таблица 4-2
Основные размеры таврового образца для испытаний стойкости металла шва против кристаллизационных трещин
в табл. 4-2. Образцы (не менее трех) испытывают при определении качества основного металла и сварочных материалов,
Сварка
<0 ^ -
к ™ 3
к 2
R. о
а также при проверке пригодности новых видов и режимов сварки в исследовательских работах и при приемочных
Автоматическая...
Полуавтоматическая...
Ручная...
400
300
200
испытаниях. Сварку следует проводить на основном металле толщиной 8 мм и более, содер-
жащем максимально допусти
мое для данного материала количество вредных в отношении образования трещин элементов (углерод, сера, кремний, никель, фосфор).
Контрольный шов сваривают на режиме, оптимальном для данного способа сварки, марки стали и толщины металла. При проверке новых режимов сварки контрольный шов сваривают на разрабатываемом режиме. В табл. 4-3 для примера приведены режимы автоматической сварки под флюсом проволокой диаметром 5 мм низкоуглеродистых сталей с содержанием до 0,23% С и низколегированных сталей с содержанием до 0,18% С.
Трещины выявляют внешним осмотром поверхности контрольного шва после его сварки, излома шва после его разрушения или вырезанных из шва макрошлифов. При проведении испытаний по описанной методике можно получить только качественную характеристику стойкости против образования кристаллизационных трещин (наличие или отсутствие трещин). Количественную характеристику можно получить, проводя сварку контрольного шва на различных токах. Чем больше сила тока, при которой еще не наблюдается образования кристаллизационных трещин, тем лучше свойства испытуемого материала.
Для контроля основного металла и сварочных материалов и определения пригодности принятых режимов сварки конструкции,
Таблица 4-3
Режимы * сварки контрольных швов
Толщина основного металла, мм
Катеты шва,
^св’
ид, в
%в’ м/ц
8—10
8
650—700
28—32
30±1,5
11—20
9
700—750
30—34
25± 1,0
21—60
10
750—800
32—36
20±1,0
* При ручной сварке тех же сталей покрытыми электродами диаметром 5 мм сила тока равна 200—220 А.
В которой основными являются стыковые швы, Применяют образец, показанный на рис. 4-3, б. При толщине металла 5—14 мм разделку кромок не производят. Контрольный шов сваривают в нижнем положении. Длину образца выбирают по табл. 4-2.
Наличие трещин выявляют внешним осмотром поверхности шва, излома шва после его разрушения или по макрошлифам. Путем дополнительных испытаний может быть получена качественная характеристика стойкости против образования трещин в зависимости от критического тока.
К группе технологических проб относятся составные образцы, в которых наплавку производят на отдельные полосы или сегменты, скрепленные между собой прихватками или закрепленные в жестком приспособлении (рис. 4-4, а), и образцы переменной жесткости (рис. 4-4, б). Стойкость против образования кристаллизационных трещин определяют качественно по наличию или отсутствию трещин на поверхности шва и в изломе образца после его расчленения. Для количественной оценки проводят испытания по методикам МВТУ, ИМЕТ, Мюрекс и др.
По методике МВТУ образцы испытывают на специальной машине, снабженной сменными зажимами для сборки и сварки тавровых и стыковых соединений. Стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин определяется критической скоростью деформации, т. е. той максимальной скоростью, при которой еще не возникают продольные трещины. Чем выше эта скорость, тем больше стойкость металла шва против трещин. Испытания проводят главным образом в исследовательских работах для определения качества электродов, сварочной проволоки и флюса.
Для оценки стойкости металла шва против кристаллизационных трещин часто применяют контрольный химический анализ. Пробу для анализа отбирают от реального сварного соединения или от специально сваренного образца. Методика отбора проб для химического анализа регламентируется ГОСТ 7122—54. О стойкости металла шва против кристаллизационных трещин судят по содержанию в нем вредных примесей (главным образом серы и углерода). Критическое содержание примесей оговорено в технических условиях на данный вид продукции.
Рис. 4-4. Образцы- составной (а; и переменной (б) жесткости
10*147
a)6)Рис. 4-5. Образцы, имитирующие реальное нахлесточное (а) и стыковое (б)a)6)Рис. 4-5. Образцы, имитирующие реальное нахлесточное (а) и стыковое (б)сварное соединение: / — контрольный шовсварное соединение: / — контрольный шов
a)6)
Рис. 4-5. Образцы, имитирующие реальное нахлесточное (а) и стыковое (б)
a)6)
Рис. 4-5. Образцы, имитирующие реальное нахлесточное (а) и стыковое (б)
сварное соединение: / — контрольный шов
сварное соединение: / — контрольный шов
Практика показывает, что ни одна из описанных проб не дает четкой характеристики стойкости против кристаллизационных трещин. Создание более совершенной методики испытаний является весьма актуальной задачей.
Определение стойкости металла околошовной зоны против образования трещин. Трещины в околошовной зоне, как правило, образуются при сварке среднеуглеродистых, высоколегированных и среднелегированных сталей.
Методы испытания стойкости металла околошовной зоны против трещин дают в большинстве случаев качественную характеристику (наличие или отсутствие трещин). Испытание следует проводить на металле наибольшей применяемой в данном случае
толщины при максимальном содержании элементов, снижающих стойкость металла против трещин (углерод, марганец, кремний и др.). Образцы сваривают на трех режимах, характеризуемых максимальной, средней и минимальной для данного способа сварки погонной энергией.
Для испытаний обычно используют специальный образец, имитирующий реальные сварные соединения (рис. 4-5, а, б). Осматривают образцы через 5—20 суток после сварки, что способ
ствует наиболее полному выявлению трещин. Трещины выявляются при внешнем осмотре поверхности металла и по макрошлифам.
Для количественной оценки стойкости металла околошовной зоны против образования трещин служит образец, показанный
Рис. 4-6. Образец для количественной оценки стойкости металла против образования холодных трещин
йа рис. 4-6. Образец собран из трех пластин толщиной не менее 4 мм с зазором не более 0,5 мм. Сварку проводят при нескольких заданных нормативными документами температурах. После сварки каждого шва образец доводят до заданной температуры, затем сваривают последующий шов. Наличие трещин проверяют по макрошлифам. Качественную оценку проводят по наличию или отсутствию трещин, количественную—по минимальной температуре, при которой еще не наблюдается образования трещин.
Кроме прямых методов испытаний стойкости против образования околошовных трещин применяют и косвенные методы. К ним относится определение углеродного эквивалента:
С — С Мп- 4- — + -^-Сг _^1 л У_ /4.1)
т 6 г 24 1 10 Т 5 । 4 । !4 •
Символ каждого элемента обозначает максимальное содержание его в металле (по техническим условиям или стандарту) в процентах. Если углеродный эквивалент Сэк > 0,45%, то для обеспечения стойкости околошовной зоны против образования околошовных трещин и закалочных структур следует применять предварительный подогрев до температуры 100—200° С. При сварке металла небольшой толщины предельное значение Сэк может быть повышено до 0,55%.
Определение стойкости металла против перехода в хрупкое состояние. Любая, в том числе и низкоуглеродистая сталь в зависимости от условий эксплуатации может разрушаться пластично или хрупко. В обоих случаях происходит транскристаллическое разрушение, т. е. разрушение по телу зерна.
Для пластичного разрушения стали характерны следующие признаки: поверхность излома обычно расположена наклонно (приблизительно под углом 45°) по отношению к направлению главных нормальных напряжений; поверхность излома матовая; края разрушенного участка значительно деформированы. Для хрупкого разрушения характерны следующие признаки: поверхность излома обычно расположена перпендикулярно к направлению главных нормальных напряжений; поверхность излома блестящая; края разрушенного участка деформированы мало.
При нормальных температурах сталь имеет объемноцентри- рованную кубическую решетку. Пластическая деформация является результатом сдвигов, вызванных касательными напряжениями, и происходит в кристалле по плоскостям, проходящим по диагоналям куба. Разрушения от касательных напряжений называют разрушением путем среза. Хрупкое разрушение проходит по граням кубической решетки и обусловлено нормальными напряжениями. Оно называется разрушением путем отрыва.
В соответствии с двумя видами разрушения можно говорить о двух типах сопротивления разрушению: сопротивление срезу и сопротивление отрыву (хрупкая прочность). Приведенная на рис. 4-7 схема объясняет механизм перехода одного типа раз-
149
Рис. 4-7. Кривые, характеризующие хрупкое и вязкое разрушение одного и того же металла (А Ф Иоффе)
рушения в другой. Кривая А отображает изменение хрупкой прочности, а кривая Б —• изменение предела текучести в зависимости от температуры. Выше температуры пересечения кривых А и Б (Т^ разрушение данного материала будет пластичным, а ниже—•
хрупким. Кривая В проведена в предположении, что надрез в металле повысил его предел текучести в 3 раза. Известно, что предел текучести металла у корня надреза повышается. При температуре выше Т2 материал у надреза будет разрушаться пластично, а ниже Т2 — хрупко. Температура перехода от хрупкого разрушения к пластичному находится в интервале Тг—Та в зависимости от наличия надреза и его формы.
разрушения металла является процессом непрерывного ростаразрушения металла является процессом непрерывного ростаПроцесс хрупкого разрушения металла состоит из двух стадий. На первой стадии в металле возникают значительные пластические деформации. В хрупком изломе начальную стадию разрушения можно обнаружить по матовой поверхности. Вторая стадия
разрушения металла является процессом непрерывного роста
разрушения металла является процессом непрерывного роста
хрупких трещин, которые возникают на разных участках.
Развитие хрупкой трещины представляется следующим образом. Впереди фронта главной трещины (рис. 4-8) образуются микротрещины. Каждая такая микротрещина, развиваясь, рас
пространяется в радиальном направлении до тех пор, пока не встретит на своем пути другие развивающиеся микротрещины или фронт главной трещины. Так как возникающие впереди фронта главной трещины отдельные микротрещины не лежат с ней в одной плоскости, то после их слияния образуются уступы в виде характерного, так называемого «шевронного узора». Конец главной трещины имеет форму параболы. При наличии шевронного узора можно определить направление движения хрупкой трещины. Этим пользуются для того, чтобы найти место, откуда началось разрушение конструкции.
Как показывают опыты, скорость распространения хрупкой трещины может достигать 1800 м/с. С возрастанием скорости распространения трещины шевронные уступы становятся все мельче
и, наконец, могут совсем исчезнуть. Увеличение скорости распространения трещины может привести к ее разветвлению, так как примерно одинаковые напряжения возникают
Рис. 4-8. Схема процесса развития хрупкой трещины
Рис. 4-9. Образцы для испытания на ударный изгиб с полукруглым (а), остроугольным (б) и ключевидным (в) надрезами:
I, Ii, III — профили надрезов
по широкой дуге трещины. Скорость распространения хрупкой трещины настолько велика, что на ее распространение не успевают влиять внешние силы. Поэтому надо считать, что энергия, необходимая для образования новой поверхности трещины, поступает из накопленной в металле упругой энергии.
Различные стали в зависимости от их химического состава и структуры имеют разную стойкость против перехода в хрупкое состояние. Чтобы судить о сопротивляемости данной стали переходу в хрупкое состояние, принято испытывать несколько одинаковых образцов при разных температурах. Та сталь, которая имеет более низкую температуру перехода в хрупкое состояние, считается лучшей.
В настоящее время широко распространено испытание на поперечный изгиб стандартных образцов с условным надрезом. На рис. 4-9, а—в показаны образцы с полукруглым, остроугольным и ключевидным надрезами, применяемые для испытания на ударный изгиб. Образцы вырезают из подлежащего исследованию металла поперек или вдоль прокатки и испытывают при разных температурах. При понижении температуры наступает такой момент, когда значение ударной вязкости резко падает. На рис. 4-10 видно, что в интервале температур Тг—Т2 имеет место рассеяние результатов испытаний. Температура Тг называется верхней, а Т2 — нижней критическими температурами перехода в хрупкое состояние.
Рис. 4-10. Изменение ударной вязкости в за
висимости от температуры
Вырезая из стыкового соединения образцы для ударного изгиба так, чтобы разрез располагался в металле шва, околошовной зоне или основном металле, и испытывая эти образцы при различных температурах, можно определить для каждого участка ме
талла температуры Т? и Т2. Сравнение этих температур показывает, какой из участков стыкового соединения имеет более вы
сокую критическую температуру. Эти испытания были предложены в конце XIX в. и благодаря их простоте нашли весьма широкое распространение. Однако описанный метод имеет существенные не
достатки, которые не позволяют использовать его для решения ряда возникающих в технике задач. Основные недостатки метода испытания надрезанных образцов на ударный изгиб следующие:
Образец имеет малые размеры и надрез произвольно выбранной формы. При других размерах и форме надреза результаты испытаний образца будут другими. Поэтому получают только сравнительные характеристики сталей. На основании таких испытаний нельзя предвидеть температуру, при которой может произойти хрупкое разрушение стали при работе ее в определенной конструкции.
Величина ударной вязкости состоит из работы, затрачиваемой на образование первой стадии хрупкого разрушения, на протекание второй стадии разрушения и на пластическую деформацию сжатого участка образца. Так как в различных сталях энергия, затрачиваемая на каждую из указанных стадий разрушения, может быть различна и соотношение между этими энергиями также может быть разное, нельзя быть уверенным в том, что получаемые при испытаниях данные дадут правильную сравнительную оценку исследуемых сталей.
В последнее время разработан ряд способов испытания образцов на ударный изгиб с определением энергии, необходимой для зарождения и распространения трещин. Усилия многих ученых направлены на создание методик, обеспечивающих получение достоверных и воспроизводимых результатов таких испытаний. Сопротивление распространению трещины может служить объективной характеристикой склонности материала к хрупкому разрушению. Эти способы испытаний, вероятно, найдут широкое при
менение.
Большое количество хрупких разрушений сварных морских судов типа «Либерти», наблюдавшихся в 1942—1945 гг. в США, а также ряд аварий больших резервуаров для хранения жидкостей и газов и других конструкций в значительной степени способствовали изысканию методов испытаний, позволяющих судии?
Рис. 4-11. Адмиралтейский образец для испытаний на растяжение и изгиб (а) и образец Кинцела для испытания иа изгиб (б)Рис. 4-11. Адмиралтейский образец для испытаний на растяжение и изгиб (а) и образец Кинцела для испытания иа изгиб (б)
Рис. 4-11. Адмиралтейский образец для испытаний на растяжение и изгиб (а) и образец Кинцела для испытания иа изгиб (б)
Рис. 4-11. Адмиралтейский образец для испытаний на растяжение и изгиб (а) и образец Кинцела для испытания иа изгиб (б)
о надежности стали в условиях работы конструкции. В настоящее время имеется более 30 типов образцов разнообразной формы с надрезами различных видов, которые при испытаниях подвергаются растяжению, изгибу и другим видам нагрузки при различных температурах.
На рис. 4-11, а изображен образец для испытания на растяжение и изгиб, представляющий собой пластину размером 126Х X 75x5 мм с надрезом на одной стороне. На рис. 4-11, б изображен другой тип образца для испытания на изгиб. При испытании указанных образцов исследуют различные критерии определения перехода металла в хрупкое состояние. Такие критерии, как угол изгиба при максимальной нагрузке, сужение площади поперечного сечения и удлинение, характеризуют пластичность стали перед тем, как начнет распространяться трещина, т. е. характеризуют наступление первой стадии разрушения. Такие критерии, как внешний вид излома и работа после максимальной нагрузки, отражают поведение стали при распространении в ней трещины.
Если эти две группы критериев отражают различные свойства стали, то можно ожидать, что температура перехода стали в хрупкое состояние, установленная на основании этих критериев для одной и той же стали, будет различна. Проведенные исследования показали, что могут быть две температуры перехода металла в хрупкое состояние. Первую из них определяют на основании критерия внешнего вида излома. Этот критерий устанавливает температуру, ниже которой наблюдается хрупкая по внешнему виду поверхность излома стали. Вторую температуру определяют на основании критерия пластичности (угол изгиба, относительное удлинение и т. п.). Этот критерий устанавливает температуру, при которой сталь снижает свою пластичность ниже определенной условной величины.
Температура перехода стали в хрупкое состояние, определяемая на основе критерия пластичности, меняется в зависимости от условий сварки, остроты и глубины надреза. При изменении ука-
153
Рис. 4-12. Образец для определения способности стали сопротивляться распространению хрупкой трещины (Т. С. Робертсон):
а — общий вид образца;
б — кривая изменения напряжений в зависимости от температуры металла
занных факторов в неблагоприятную сторону температура перехода стали в хрупкое состояние повышается и приближается к температуре, установленной на основании критерия внешнего вида поверхности излома. С учетом этого можно считать, что критерий внешнего вида отражает поведение стали при самых неблагоприятных условиях, т. е. при наличии бесконечно острого надреза.
Для изучения способности различных сталей сопротивляться распространению хрупкой трещины предложен образец, изображенный на рис. 4-12, а. На одном конце образца высверлено отверстие, в котором сделан надрез. Образец устанавливают в разрывной машине. Конец образца с отверстием охлаждают жидким азотом, противоположный конец образца нагревают. После установления стабильного перепада температуры образец нагружают до постоянной величины поперечных напряжений. Затем наносят удар крупнокалиберной пулей по охлажденному концу. Удар вызывает образование хрупкой трещины, которая под действием поперечных напряжений распространяется в образце и на каком-то расстоянии останавливается. Фиксируется температура участка образца, где остановилась трещина.
Испытания ряда образцов при разных нагрузках позволяют построить кривые (рис. 4-12, б), показывающие, как в зависимости от температуры стали изменяются критические поперечные напряжения, т. е. напряжения, при которых идет распространение хрупкой трещины. Область, лежащая выше и левее кривой, характеризует условия (напряжения и температуру), при которых однажды возникшая хрупкая трещина будет распространяться и пересечет весь образец. Ниже и правее кривой находится область,
характеризующая условия, при которых однажды возникшая трещина остановится и не будет распространяться в металле.
Каждая марка стали в зависимости от ее химического состава, структуры и толщины имеет свою, характерную для нее кривую. Для подобных кривых типично наличие почти горизонтального участка, расположенного на уровне сравнительно невысоких поперечных напряжений, и почти вертикального участка.
Процесс хрупкого разрушения имеет две стадии. По вопросу о том, какую стадию разрушения нельзя допускать, существуют две точки зрения. Согласно первой из них, в любой металлической конструкции, а тем более в сварной конструкции, неизбежно наличие различного рода дефектов (подрезов, трещин, шлаковых включений и т. п.). Эти дефекты являются резкими концентраторами напряжений, от которых могут брать начало хрупкие трещины. Для того чтобы образовались первые трещины, всегда найдутся случайные причины, как-то: удары, резкое изменение температуры, корродирующая среда и т. п. Поэтому важно не образование первых хрупких трещин, а предотвращение их распространения. Этого можно достичь, если металл будет обладать достаточным сопротивлением распространению хрупкой трещины. Следовательно, необходимо выбирать сталь исходя из ее способности гасить образовавшуюся хрупкую трещину.
Вторая точка зрения заключается в том, что сталь должна предупреждать зарождение хрупкой трещины. Так как хрупкая трещина возникает всегда у резких концентраторов напряжений, то можно сказать, что сталь должна быть малочувствительной к острым надрезам. Сторонники второй точки зрения обычно указывают, что для зарождения хрупкой трещины требуется больше энергии, чем для распространения уже начавшейся трещины.
Рассмотренные образцы и методы определения температуры перехода стали в хрупкое состояние можно разделить на три группы:
Определение порога хладноломкости с помощью испытания на поперечный изгиб на маятниковом копре образцов с различными типами надреза. Эти испытания дают результаты, которые могут служить только для сравнения между собой различных сталей, сварочных материалов, способов и режимов сварки.
Определение температуры перехода в хрупкое состояние с помощью специальных образцов. В процессе испытания этих образцов были определены две температуры в зависимости от принятого критерия: одна температура — начала возникновения хрупкой трещины (первая стадия разрушения), а другая — распространения хрупкой трещины (вторая стадия разрушения).
Определение сопротивления стали распространению хрупкой трещины (вторая стадия разрушения).
Испытания второй и третьей групп имеют целью охарактеризовать поведение металла в реальной конструкции. Поэтому результаты испытания всех образцов всегда сравнивают с данными
155
наблюдаемых случаев хрупкого разрушения конструкций. Эти сравнения показывают достаточное совпадение критической температуры перехода стали в хрупкое состояние, определенной на том или ином типе образца, с температурой, при которой произошла авария.
Образцы для испытаний второй и третьей групп имеют значительные размеры, и использование их представляет определенные трудности. Поэтому были затрачены значительные усилия, чтобы установить корреляцию между испытаниями больших специальных образцов и испытаниями стандартных малых образцов на ударный изгиб. Полной корреляции установить пока не удалось, однако для отдельных групп сталей такая корреляция намечается. Так, установлено, что в судах типа «Либерти» хрупкие разрушения наблюдались при температурах, при которых малые образцы с остроугольным надрезом, вырезанные из листов разрушенных судов, имели ударную вязкость не более 1,2 кгс/см2.
Образцы для испытаний второй и третьей групп можно применять в исследовательских работах. Для практических же задач контроля качества металла следует пользоваться стандартными образцами с полукруглым или острым надрезом, испытываемыми на ударный изгиб.
С целью повышения стойкости основного металла против перехода в хрупкое состояние следует применять для ответственных сварных конструкций стали с пониженным содержанием углерода. Значительное влияние на стойкость против перехода в хрупкое состояние оказывают тип электродов, состав флюса, режим сварки и другие технологические факторы. При разработке технологии сварки ответственных конструкций все это следует учитывать.
Комплексные методы испытания металла околошовной зоны. Кроме описанных выше и в § 6-3 методов испытаний, которые ставят перед собой задачу выяснения только одного из показателей, входящих в общее понятие свариваемости, при проведении лабораторных исследований находят также применение комплексные методы оценки свойств околошовной зоны. Эти методы позволяют выбрать режим сварки, обеспечивающий благоприятные свойства металла в околошовной зоне, и установить зависимость между этими свойствами и режимом сварки.
Наиболее широко из этой группы испытаний при исследовании и поисковых работах применяют валиковую пробу. Она служит для определения структурного состояния и механических свойств металла околошовной зоны. Бруски-заготовки испытываемого металла толщиной, равной толщине стали, шириной 13—18 мм и длиной 200—250 мм собирают в специальном зажимном приспособлении в единую составную пластину (рис. 4-13). Образцы собирают так, чтобы сверху располагалась обработанная поверхность металла (ширина бруска равна толщине металла). Число брусков в составной пластине предусмотрено программой испы-
Рис. 4-13. Составной образец для валиковой пробы, s— толщина металла
таний. Число составных пластин определяется количеством режимов сварки. Обычно сваривают пять пластин при следующих значениях погонной энергии (кал/см): 1) 1000—1500; 2) 3000—4000; 3) 6000—7000; 4) 9000—10 000; 5) 13 000—14 000.
На собранную пластину вдоль ее продольной оси наплавляют валик. Затем пластину освобождают от закрепления и она остывает на воздухе до температуры окружающей среды. Затем усиление валика сострагивают заподлицо с основным металлом и бруски отделяют друг от друга. Из брусков изготовляют образцы (см. рис. 4-9), в которых вершина надреза расположена в околошовной зоне на заданном расстоянии от границы сплавления.
На основании испытания этих образцов на ударный и статический изгиб при различных температурах, а также металлографического исследования определяют следующие характеристики основного металла.
Зависимость между критической температурой перехода в хрупкое состояние металла околошовной зоны и режимом сварки. За критическую температуру обычно принимают ту, при которой ударная вязкость хотя бы одного из испытываемых образцов была менее 2 кгс/см2.
Зависимость между ударной вязкостью металла околошовной зоны и режимом сварки, которая позволяет судить о структурных изменениях, происходящих в околошовной зоне (перегрев, закалка) при различных режимах сварки.
Зависимость между твердостью металла в околошовной зоне и режимом сварки и зависимость между твердостью металла в околошовной зоне и мгновенной скоростью остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита. Можно также судить о структурных изменениях, происходящих в околошовной зоне.
Проба ИМЕТ позволяет определять структурное состояние и механические свойства металла околошовной зоны на протяжении всего термического цикла сварки. Испытания проводят на двух образцах для металлографических исследований и образце для определения механических свойств. Образцы укрепляют в зажимах специальной автоматической машины, где в соответствии
157
с заданным термическим циклом они нагреваются проходящим током, а затем охлаждаются. Нагрев образца регулируется изменением величины тока, а охлаждение его — обрызгиванием водой или обдувом газом. Контроль за соответствием между заданным и действительным термическими циклами осуществляется путем записи на осциллографе значения э. д. с. термопары, приваренной к центральной части образца.
В любой заданной точке термического цикла можно автоматически прекратить нагрев образца и мгновенно его освободить. После этого образец или попадет в воду, или может быть быстро разорван с регистрацией диаграммы изменения усилия и удлинения его во времени. При быстром охлаждении образца в воде в нем фиксируется размер зерна, соответствующий данной температуре. Механические испытания позволяют установить значения предела прочности, текучести и относительного удлинения металла образца в условиях быстрого растяжения при заданной температуре.
Проба ИМЕТ позволяет изучить кинетику изменения фазового состава, структуры и механических свойств металла в процессе нагрева и охлаждения по заданному термическому циклу сварки. Испытания дают возможность установить интервал, в котором происходит резкое падение пластичности, судить о характере превращения аустенита в металле околошовной зоны и об опасности хрупкого разрушения в ней в условиях охлаждения при данном термическом цикле.
По результатам испытания можно определить режимы сварки, обеспечивающие получение в зоне термического влияния структур, стойких против перехода в хрупкое состояние и против образования трещин. Методика в основном применяется при разработке новых марок сталей и сплавов.
Определение служебных характеристик металла шва и сварного соединения. Для обеспечения нормальной работы конструкции металл шва и сварного соединения должен обладать необходимой и достаточной прочностью и пластичностью, коррозионной стойкостью и другими свойствами. При современном уровне развития сварочной техники это условие удовлетворяется в подавляющем большинстве случаев.
Для определения прочности и пластичности металла шва и сварного соединения применяют комплекс испытаний, в том числе при статических и ударных нагрузках. Испытания механических свойств металла шва и сварного соединения при статических и ударных нагрузках (ГОСТ 6996—66) проводят при текущем контроле качества продукции и при исследовательских работах. Аналогичные испытания механических свойств сварных соединений проводят и в большинстве зарубежных стран.
Испытания, регламентируемые ГОСТ 6996—66, предусматривают отбор образцов из реальных конструкций или из специальных образцов, сваренных в условиях, полностью повторяющих условия сварки реальной конструкции. Испытания обычно про-
158
водят при комнатной температуре. Однако по требованиям технических условий на данный вид продукции их можно проводить как при пониженных, так и при повышенных температурах. Выбор видов испытаний из числа предусмотренных стандартом, а также дополнительных, не вошедших в стандарт испытаний, устанавливается стандартами или техническими условиями на данный вид продукции. ГОСТ 6996—66 предусматривает:
испытание металла шва на растяжение. Целью его является определение физического ат или условного а0-2 предела текучести металла, его временного сопротивления при растяжении ав, относительного удлинения 65 и сужения ф. Для исследования отдельных участков металла шва и околошовной зоны применяют не предусмотренные стандартом малые образцы с диаметром рабочей части 0,8; 1,0 или 1,2 мм. Испытания подобных образцов ца растяжение проводят на специальных машинах с записью кривой усилие—деформация. Результаты испытаний малых образцов сравнивают с результатами испытаний аналогичных образцов, вырезанных из основного металла. Параллельно испытывают не менее двух образцов;
испытание сварного соединения на растяжение. Целью его является определение прочности сварного соединения в целом или прочности металла шва в сварном соединении. Полученные при испытании результаты сравнивают с результатами испытания основного металла;
испытание металла шва и металла отдельных участков околошовной зоны на ударный изгиб (на надрезанных образцах). Целью его является определение ударной вязкости испытуемого металла. Результаты, полученные при испытании, сравнивают со значением того же показателя для основного металла или с величиной, регламентированной стандартами или техническими условиями на данный вид продукции. Испытания, как правило, проводят при одной температуре и перед ними не ставится задача определения стойкости металла против перехода в хрупкое состояние. Они служат для текущего контроля правильности выбора технологии сварки и материалов. Для испытания применяют образец с полукруглым профилем надреза (надрез по Менаже) или с острым клиновидным надрезом (надрез по Изоду). Испытания образцов с надрезами различных типов дают несравнимые результаты.
Кроме приведенных видов испытаний ГОСТ 6996—66 предусматривает испытания на изгиб при продольном и поперечном расположении шва. Эти испытания не дают четких данных о пластических или прочностных свойствах сварного соединения и по существу относятся к разряду технологических проб.
Для определения изменения свойств в отдельных участках сварного соединения и степени неоднородности металла шва, околошовной зоны и основного металла замеряют твердость ме-
159
Талла на этих участках. Твердость сварного соединения определяют на макрошлифах поперечного сечения шва на приборах типа Виккерса или Роквела.
4-4. Напряжения и деформации при сварке
Напряжения и деформации при сварке подробно рассмотрены в специальной литературе (труды Г. А. Николаева, Н. О. Окерблома, В. А. Винокурова и др.). Ниже приведены лишь общие положения и некоторые данные по этим вопросам.
В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного воздействием концентрированного источника теплоты, в сварной конструкции возникают временные и остаточные сварочные напряжения. Временные сварочные напряжения наблюдаются только в определенный момент сварки в процессе изменения температуры. Напряжения, существующие после окончания сварки конструкции и полного ее остывания, называют остаточными сварочными напряжениями или сварочными напряжениями. Они возникают в результате затруднений расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании.
Затрудненность расширения и сжатия металла обусловлена тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не претерпевают никаких изменений. Реактивные остаточные напряжения возникают в связи с дополнительным закреплением свариваемых деталей (в приспособлении, при жестком закреплении и т. п.), также препятствующим нормальному протеканию процессов расширения и сжатия. Реактивные напряжения характеризуются неуравновешенной эпюрой напряжений.
Структурные напряжения возникают в конструкции вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки до температуры выше критических точек. Значительные по величине структурные напряжения возникают при сварке закаливающихся сталей, при охлаждении которых после сварки в околошовной зоне образуются мартенситные, имеющие наибольший удельный объем структуры.
Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей в основном развиваются сварочные напряжения первого рода. Они действуют и уравновешиваются в значительных, соизмеримых с размерами конструкции или отдельных ее деталей, объемах. При определенных условиях возможно возникновение сварочных напряжений второго и третьего родов — действующих и уравновешивающихся в пределах отдельных зерен металла.
В зависимости от пространственного расположения и взаимодействия различают сварочные напряжения: линейные или одноосные, действующие только по одной оси в одном направлении (рис. 4-14, а), плоскостные или двухосные, действующие в двух
160
направлениях (рис. 4-14, б), и объемные или трехосные, действующие в трех направлениях (рис. 4-14, в). По направлению действия различают продольные и расположенные поперек оси шва линейные сварочные напряжения (рис. 4-15).
Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что в большинстве случаев сварочные напряжения не снижают несущей способности конструкций. По вопросу о влиянии, оказываемом сварочными напряжениями на работоспособность сварной конструкции, нет единого мнения. Большинство исследователей приходит к выводу о том, что линейные сварочные напряжения не снижают прочности сварных конструкций ни при одном из видов нагрузок (статической, вибрационной, ударной), если металл, из которого изготовлена конструкция, в процессе ее эксплуатации находится в пластическом состоянии. Однако, если металл находится в хрупком состоянии, т. е. не способен к пластическому деформированию, наличие даже линейных сварочных напряжений может привести к снижению несущей способности конструкции.
Даже такой пластичный металл, как низкоуглеродистая сталь, при определенных условиях (низкая температура, резкая концентрация напряжений, наличие дефектов) может находиться в хрупком состоянии (см. § 38). Недостаточно ясно также влияние на прочность конструкции сварочных напряжений с плоскостным и объемным характером распределения. Большинство исследователей считают, что и при этом не происходит снижения прочности конструкции при статической (в чистом виде) нагрузке и пластичном состоянии металла.
Рис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения: а — линейные; б — плоскостные, в — объемные сварочныеРис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения: а — линейные; б — плоскостные, в — объемные сварочныеТехнологию сварки и сборки конструкции следует разрабатывать с учетом обеспечения минимальной величины сварочных напряжений, и там, где это диктуется условиями работы конструкции, предусматривать снятие этих напряжений. При этом следует учитывать, что снятие сварочных напряжений — весьма трудоемкая и сложная операция, и к ней следует прибегать
Рис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения: а — линейные; б — плоскостные, в — объемные сварочные
Рис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения: а — линейные; б — плоскостные, в — объемные сварочные
Рис. 4-15.
Продольные (/) и поперечные (2) напряжения в сварном соединении
И Заказ № 782161
Рис. 4-16. Угловая деформация при сварке стыкового соединения
только при действительной, технически обоснованной необходимости. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла, они вызовут его пластическую деформацию, а следовательно, и изменения размеров и формы свариваемой конструкции, т. е. ее деформацию (коробление).
Возникающие при сварке деформации разделяют на временные, существующие только во время сварки конструкции, и остаточные, остающиеся после завершения сварки и остывания конструкции. Важное значение для практики имеют остаточные сварочные деформации. В зависимости от характера, формы и размеров свариваемых деталей различают деформацию в плоскости и деформацию из плоскости соединяемых элементов. Деформация в плоскости проявляется в изменении (уменьшении) размеров конструкции, с чем необходимо считаться при заготовке деталей и сборке под сварку, предусматривая припуск на изменение размеров.
Деформация из плоскости (угловая деформация) проявляется в образовании выпучин («хлопунов»), местном изгибе листов (рис. 4-16), в так называемом грибовидном изгибе пояса при сварке элементов тавровых и двутавровых сечений (рис. 4-17), а также в других изменениях формы изделий. Величина и характер остаточных деформаций в значительной степени определяются толщиной и свойствами основного металла, режимом сварки, последовательностью наложения швов, конструктивными формами свариваемых деталей и формой шва. При увеличении толщины свариваемого металла деформации снижаются, что связано с большей жесткостью конструкции.
Существенное влияние на величину деформации оказывает значение коэффициента линейного расширения металла. При повышении коэффициента линейного расширения величина остаточных деформаций увеличивается, например при сварке конструкций из высоколегированных нержавеющих сталей, что значительно затрудняет сварку металлоконструкций и изделий из этого металла. Опыт эксплуатации показал, что в стальных конструкциях, в которых не возникают структурные напряжения, в большинстве случаев величина и характер остаточных деформаций с течением времени по-"
чти не изменяется. В конструкциях, изготовленных из сталей, при сварке которых возникают структурные напряжения, раз-
Рис. 4-17. Угловая деформация (грибовидность) при сварке таврового соединения
162
меры и формы элемента могут изменяться с течением времени .
Изменение размеров и формы сварной конструкции в некоторых случаях снижает ее работоспособность и портит ее внешний вид. Если остаточные деформации достигают заметной величины они могут привести к неисправимому браку. При разработке, технологии сборки и сварки конструкции следует учитывать необходимость снижения остаточных деформаций до величины, при которой они не отражаются на работоспособности и внешнем виде конструкции и не затрудняют сборку отдельных элементов. Если величина остаточных деформаций выходит за допускаемые пределы, следует проводить правку конструкции. Правка конструкции является весьма трудоемкой операцией, требует высокой квалификации рабочих, и ее так же, как и снятие сварочных напряжений, следует проводить только в случае действительной необходимости.
4-5. Предотвращение и снижениесварочных напряжений и деформаций
Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них.
Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сварочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты. Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. Это подтверждается опытом применения автоматической сварки под флюсом.
При практически одной и той же погонной энергии сварка под флюсом благодаря большей скорости перемещения дуги (изотермы вытянуты и сдвинуты в область, уже пройденную дугой) вызывает меньшие остаточные деформации, чем ручная дуговая сварка. Снизить величины остаточных деформаций можно также, заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе, аргоне, порошковой проволокой или активированной проволокой без дополнительной защиты. Применение полуавтоматической сварки в углекислом газе позволило упростить технологию изготовления ряда тонколистовых конструкций (кузова тепловозов, электровозов и пр.) и сократить расходы на последующую правку.
Влияние конфигурации шва. От конфигурации шва в известной мере зависят величина и характер остаточных деформаций. При прочих равных условиях Х-образная подготовка кромок благодаря симметричному расположению шва относительно нейтральной оси вызывает меньшую угловую деформацию, чем V- образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях целесообразно применять двустороннюю сварку. При сварке под 11*163
Рис. 4-18. Зависимость между толщиной металла, формой и сечением разделки
флюсом меньшие деформации происходят в соединениях без скоса кромок. В случае электрошлакового процесса, где сама техника выполнения сварки предопределяет симметричное расположение шва относительно нейтральной оси, угловые деформации весьма невелики. Эффективной мерой уменьшения деформаций является уменьшение сечения шва за счет применения сварочных материалов, обеспечивающих бо
лее высокую прочность металла шва. Как показали исследования, при сварке соединения с угловыми швами сечение может быть уменьшено до 40%.
Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется режимом сварки и зависит от сечения шва или слоя. Увеличение сечения шва или
слоя приводит к заметному росту величины остаточной деформации. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует назначать наименьшие (допустимые из условий прочности конструкции) сечения швов и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. В отношении уменьшения сечения шва наиболее рациональной является двусторонняя рюмкообразная разделка (рис. 4-18). На зависимости между величиной остаточной деформации и режимом сварки (погонной энергией) основан расчетный метод определения остаточных деформаций.
Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На величину возникающих при сварке остаточных деформаций и напряжений существенно влияет порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации образуются при сварке на проход, т. е. при наложении шва от начала до конца без длительных перерывов. При ручной сварке для уменьшения величины деформации швы накладывают от середины к концам. Этот метод эффективен при выполнении шва двумя сварщиками.
При правильном выборе длины ступени обратноступенчатая сварка (см. гл. 5) резко уменьшает величину напряжений и деформаций. При этом способе шов следует разбивать на участки таким образом, чтобы к началу сварки последующего участка темпера-
Рис. 4-19.Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединенииРис. 4-19.Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединенииwtzwtt^tttz^tttt^^wtzwtt^tttz^tttt^^Рис. 4-20. Обратный изгиб свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении
Рис. 4-19.
Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении
Рис. 4-19.
Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении
wtzwtt^tttz^tttt^^
wtzwtt^tttz^tttt^^
тура металла составляла 200—300° С. При однослойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку, образованному за счет расплавления одного электрода (при сечении шва, равном 1,2 сечения стержня электрода). Уменьшение деформаций и напряжений при обратноступенчатой сварке связано с тем, что ее выполняют по увеличенному зазору. При охла
ждении одновременно с уменьшением ширины шва уменьшается и предварительно расширенный зазор, что способствует уменьшению реактивных напряжений и деформаций.
Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформаций при сварке многопроходных швов применяют каскадный метод сварки (см. гл. 5). Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывает направление сварки отдельных швов. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях-кондукторах.
Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производственных условиях для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот метод используют для борьбы с угловыми деформациями при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их располагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 4-19). Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок (рис. 4-20). Монтажные стыки с закрепленными Глистами реко-
Рис. 4-21. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыковРис. 4-21. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыковРис. 4-22. Обратный изгиб пояса для предотвращения грибовидной деформации
Рис. 4-21. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыков
Рис. 4-21. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыков
Рис. 4-23. Обратный изгиб балки
домкратов или специальных приспособлений (рис. 4-21). Для предотвращения деформаций из плоскости тавровых или двутавровых сечений производят упругую или пластическую деформацию пояса (рис. 4-22). С целью устранения продоль
ных деформаций в плоскости при сварке тавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 4-23).
Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700—750° С (рис. 4-24). Эффективной мерой предотвращения выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемой сваркой поясных швов, является сборка с предварительным натяжением стенки. Для натяжения стенки используют сборочные стенды с домкратным устройством. Повысить жесткость тонких листов в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно путем гофрирования. При помощи прессов на тонких листах предварительно выдавливают узоры жесткости или гофры. Мерой уменьшения сварочных напряжений может быть предварительное
растяжение или сжатие элемента с помощью продольно сжимающей силы.
Рис. 4-25. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:Рис. 4-25. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:ных условиях.ных условиях.Рис. 4-24. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгибаРис. 4-24. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгибаI — область нагрева или на* клепаI — область нагрева или на* клепаРезкое охлаждение свариваемых деталей. При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. На рис. 4-25 схематически показаны характер распределения температуры и размеры участков пластических деформаций при искусственном охлаждении и без него. При охлаждении участок пластической деформации значительно короче, чем при сварке в обыч
Рис. 4-25. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:
Рис. 4-25. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:
ных условиях.
ных условиях.
Рис. 4-24. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгиба
Рис. 4-24. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгиба
I — область нагрева или на* клепа
I — область нагрева или на* клепа
а — с искусственным охлаждением,
б — без охлаждения
Однако искуссДвеннбё охлаждений Применимо ТоЛьКб Прй сварке низкоуглеродистых сталей. Для уменьшения остаточных деформаций и напряжений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных закаливающихся сталей метод искусственного охлаждения неприменим, так как он может привести к образованию малопластичных закалочных структур. Некоторое влияние на величину сварочных деформаций оказывает также и начальная температура изделия. При сварке в условиях естественных низких температур деформации снижаются весьма мало.
Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур между участками сварного соединения, благодаря чему несколько снижаются напряжения. Установлено, что при подогреве до температуры 200° С остаточные напряжения по сравнению со сваркой без подогрева снижаются на 30%. При более высокой температуре подогрева достигаются еще более благоприятные результаты.
Значительный эффект дает и сопутствующий подогрев. При сварке можно проводить как общий, так и местный сопутствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке деталей небольших размеров или непластичных материалов, например чугуна. При местном подогреве нагревают участок шириной не менее 40—50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только свариваемых кромок не дает заметного эффекта. При сварке с предварительным или сопутствующим подогревом в большинстве случаев не требуется последующей термообработки (отпуска) конструкции. Подогрев можно осуществлять индукционным способом, газовым пламенем и электрическими нагревателями.
Температура предварительного подогрева зависит от химического состава и толщины металла, а также жесткости конструкции. С увеличением содержания углерода и легирующих примесей, толщины металла и жесткости конструкции необходим подогрев до более высоких температур.
При изготовлении особо ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей при толщине металла выше 40 мм иногда применяют предварительный подогрев до температуры 100-— 120° С. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей целесообразно применять предварительный подогрев до температуры 150—200° С при толщине металла более 30 мм. Вопрос о температуре подогрева при сварке (и наплавке) средне- и высоколегированных и высокоуглеродистых сталей рассмотрен в гл. 10 и 13.
§ 4-6. Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.
Снятие'сварочных напряжений путем термообработки. Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630—650° С с выдержкой при этой температуре в течение 2— 3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300° С с печью, а затем на спокойном воздухе.
При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вследствие того, что при температуре 600° С предел текучести металла близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации, в процессе которой происходит релаксация сварочных напряжений. При температуре отпуска 600—620° С наблюдается некоторое охрупчивание металла, порог хладноломкости перемещается в сторону положительных температур. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ванадий. Снижение температуры отпуска до 550—560° С устраняет указанный недостаток.
В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдельных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются только отпуском лепестков с приваренными люками. Отпуск отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных рам тележек вагонов и локомотивов. Такие операции значительно проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обеспечивают требуемую эксплуатационную надежность.
Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях. Если механическая обработка проводится на детали, не прошедшей отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может произойти изменение ее размеров. В большинстве случаев при сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов можно ограничиться только предварительным местным или общим подогревом и не проводить последующей термообработки (см. гл. 10).
Термопластический метод снятия напряжений. Метод основан на создании пластических деформаций в зоне шва, что осуществляется путем нагрева смежных со швом участков основного металла.
При этом достигается тот же эффект, что и при растяжении внешними силами. Снятие напряжений достигается только при тщательной регулировке источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.
168
Рис. 4-26. Макроструктура металла после оплавления
Снятие сварочных напряжений с помощью аргоно-дуговой обработки. Одной из мер снятия сварочных напряжений является
расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне (рис. 4-26). При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие
перехода части металла в жидкое и пластическое состояние. Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно
малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем металла шва. Расплавление небольшого количества основного
металла и металла шва приводит к уменьшению напряжении на 60—70%. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует значительному повышению прочности сварных соединений при переменных нагрузках (рис. 4-27).
Снятие сварочных напряжений путем проковки металла шва и околошовной зоны. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в шве и околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации. Это достигается проковкой швов. Проковку производят в процессе остывания металла при
температурах 450 С и выше либо от 150° С и ниже. В интервале температур 400—200°С в связи с пониженной пластичностью металла при ее проковке возможно образование надрывов. Специаль-
Рис. 4-27. Кривые выносливости сварных образцов из стали 10Г2Б с накладками:
— швы оплавлены;
£ — швы не обработаны
ныи нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6—1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения также способствует повышению усталостной прочности конструкции.
Снятие сварочных напряжений путем нагружения конструкции до напряжений, равных пределу текучести металла. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях, изготовляемых из незакаливающихся сталей, является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии (при положительной температуре). Такой метод снятия напряжений особо следует рекомендовать для конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.
Если в первый период эксплуатации конструкция работает в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии, происходит смягчение остроты концентраторов напряжений. При этом сварочные напряжения не повлияют на статическую прочность конструкции при тяжелых условиях ее эксплуатации. При снятии напряжений этим способом не все элементы конструкции могут быть нагружены до предела текучести. Поэтому напряжения снимаются только в элементах, наиболее нагруженных от прилагаемых нагрузок, в остальных, например в участках с приваренными ребрами, фланцами и т. и., они остаются почти без изменений.
Нагружение до предела текучести конструкций, при сварке которых возможно образование малопластических закалочных структур в околошовной зоне, не приводит к снятию сварочных напряжений. В этом случае сварочные напряжения могут быть сняты только высоким отпуском. Выполнен ряд исследовательских работ по уменьшению либо полному устранению сварочных напряжений при помощи ультразвука.
Устранение деформации путем термической правки. При термической правке нагрев производят газокислородным пламенем либо электрической дугой неплавящимся электродом. Температура нагрева деформированного участка при термической правке составляет 750—850° С. Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате чего возникают пластические деформации сжатия. После охлаждения линейные размеры
Рис. 4-28. Правка деформированной тавровой балки нагревом (кружками и полосками указаны места нагрева):
а — правка при вогнутой полке, б — правка при сложной деформации, в — правка при выпуклой полке
нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению деформаций
На рис. 4-28, а показаны деформированная балка с приваренными косынками и места, подлежащие нагреву при правке. Если балка таврового сечения деформируется после сварки в сторону пояса, ю рекомендуется править ее, как показано на рис. 4-28, в, и нагревать ряд участков самого пояса. В практике часто наблюдается сложная деформация стенки и пояса (рис. 4-28, б). Для устранения такой деформации производят нагрев как вертикальной стенки, так и пояса.
Для правки сварных конструкций требуется определенный навык. Поэтому, если в производственных условиях неизбежна правка конструкций, то для выполнения термической правки необходимо специально обучать рабочих В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.
Устранение деформации путем механической правки. Для устранения деформации механическую правку можно осуществлять на прессах или при толщине металла до 3 мм вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла резко снижаются, особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств сказывается отрицательно на статической прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под переменными нагрузками.
Общие сведения о сварных соединениях
§ 5-1. Требования к сварным соединениям
В зависимости от типа и назначения изделия видоизменяются и конкретизируются требования, предъявляемые к сварным соединениям. Поэтому их нельзя сформулировать в общем виде. Можно лишь утверждать, что любому сварному соединению должна быть обеспечена достаточная работоспособность при минимальной трудоемкости его изготовления. Под достаточной работоспособностью сварного соединения в большинстве случаев подразумевают сохраняемую в течение всего срока эксплуатации необходимую и достаточную прочность, выносливость и устойчивость при заданных виде нагружения и рабочей среде. Прочность сварного соединения определяется механическими свойствами металла шва и околошовной зоны, надлежащей для данных условий согласованностью свойств этих участков и основного металла, стойкостью против перехода в хрупкое состояние, конфигурацией шва и его размерами, наличием и характером дефектов.
Требования к пластическим и прочностным характеристикам металла шва должны быть различными в зависимости от типа соединения и условий работы конструкции. Обычно их задают равными аналогичным свойствам основного металла. Это делают скорее по традиции, чем исходя из обоснованных данных, что не всегда оправдано. Тот же подход (т. е. равноценность соответствующим характеристикам основного металла) сохраняется и в отношении стойкости металлов шва и околошовной зоны против перехода в хрупкое состояние. В большинстве случаев регламентируют или величину ударной вязкости при заданной температуре испытания, или значение критической температуры перехода в хрупкое состояние.
Выполнение указанных требований для литого металла шВа и металла околошовной зоны в состоянии после сварки весьма затруднительно и, как правило, требует значительного усложнения технологического процесса и применения специальных сварочных материалов. В некоторых случаях для выполнения таких требований приходится поступаться другими, иногда даже более существенными характеристиками металла шва (стойкость против образования пор и трещин, форма усиления и состояние поверхности шва).
Для стыковых швов в подавляющем большинстве случаев должны быть обеспечены полный провар соединяемых элементов и форма усиления с плавным переходом от основного металла к металлу шва. Наличие плавного перехода от шва к основному металлу положительно сказывается на прочности сварного соединения при динамических нагрузках, изгибе и технологических операциях, связанных с вальцовкой и правкой. Для угловых швов необходимо выдерживать определенные расчетом размеры шва или минимальные размеры, назначаемые по технологическим соображениям. При назначении минимального сечения углового шва по технологическим соображениям исходят из возможности качественного выполнения такого шва в производственных условиях. Если сечение шва, определяемое по расчету, меньше сечения шва, назначаемого по технологическим соображениям, то оно должно быть доведено до величины последнего. Оптимальной считается вогнутая (рис. 5-1, а) или нормальная форма поверхности углового шва (рис. 5-1, б) с плавным переходом к основному металлу.
Плавное очертание поверхности шва предопределяет снижение концентрации напряжений, в результате чего существенно повышается выносливость при вибрационных нагрузках. Выпуклая форма поверхности шва нежелательна из соображений прочности, а также и по экономическим соображениям. При выпуклом шве нерационально расходуется дополнительный металл.
Большое влияние на прочность сварного соединения оказывают трещины, непровары, охрупчивание металла околошовной
Рис. 5-1. Форма поверхности углового шва:
а — вогнутая,б — нормальная
Зоны и другие возникающие Ори сварке дефекты. Поэтому при разработке технологического процесса сварки особое внимание должно быть уделено выбору таких приспособлений, материалов, способов и режимов сварки, при которых минимальна вероятность образования дефектов. В процессе формирования сварного соединения возникают деформации и создается поле остаточных напряжений, которые могут снизить прочность конструкции в целом.
Нарушения размеров и формы сварного соединения, вызванные возникшей в результате сварки деформацией, могут существенно изменить условия его работы и привести к резкому увеличению напряжений. Правка покоробленных при сварке элементов является весьма трудоемкой операцией, резко повышающей стоимость изготовления изделия. Поэтому при разработке технологического процесса сборки и сварки следует стремиться к максимально возможному, исходя из требования сохранения высокого качества, уменьшению сечения швов и ширины около- шовной зоны (см. гл. 4). Надлежащее качество сварного соединения может быть достигнуто только при свободном доступе к месту сварки.
§ 5-2. Типы сварных соединений и швов
В зависимости от взаимного расположения свариваемых элементов различают следующие виды соединений.
Стыковое соединение. Образовать стыковое соединение могут элементы одинаковой (рис. 5-2, а) или различной толщины (рис. 5-2, б). Толщина металла неограничена. Если сопрягают листы различной толщины, то на более толстом из них делают скос с одной или с двух сторон до толщины меньшего листа. Если разница в толщине сопрягаемых элементов не превышает 2—5 мм (в зависимости от толщины свариваемого металла), скос не производят. Разновидностью стыкового соединения является соединение с отбортовкой кромок (рис. 5-3), применяемое при сварке металла толщиной до 3 мм.
Тавровое соединение. Угол между полкой и стенкой может быть прямым (рис. 5-4), острым или тупым. Сочетание толщин может быть разнообразное.
Нахлесточное соединение (рис. 5-5). Условно к нахлесточному соединению относят пакет из двух элементов (рис. 5-6). Нахлесточное соединение обычно образуют из металла толщиной до 20 мм.
Рис. 5-2. Стыковое соединение листов:
а — одинаковой толщины; б — различной толщины
Рис. 5-3.
Соединение с отбортовкой кромок
Рис. 5-4.
Тавровое соединение
Рис. 5-5.
Нахлесточное соединение
Рис. 5-6.
Пакет из двух элементов
Угловое соединение. Угол между сопрягаемыми деталями может быть прямым (рис. 5-7), острым или тупым. Изредка применяют соединение впритык (рис. 5-8).
Стыковое соединение в наибольшей степени соответствует специфике сварки и обеспечивает оптимальные условия передачи усилий от одного элемента к другому. При нахлесточном соединении создаются неблагоприятные условия для передачи усилий, так как в результате несоосности приложения нагрузки возникает изгибающий момент. Кроме того, увеличиваются расход металла и длина швов. Нахлесточное соединение имеет очень низкий предел выносливости. К преимуществам нахлесточного соединения относят значительно более низкие требования к точности заготовки элементов, а при металле толщиной до 4 мм — также возможность сварки без обработки кромок путем соединения листов в состоянии после прокатки.
Шов, соединяющий детали в стыковом соединении, называют стыковым, а в тавровом и нахлесточном соединениях — угловым. Угловые швы могут быть сплошными или прерывистыми. Прерывистый шов выполняют отдельными отрезками — шпонками или отдельными точками. Отрезки прерывистого шва могут быть расположены друг против друга или в шахматном порядке (рис. 5-9). При нахлесточном соединении применяют так называемый прорезной шов. Он может быть сплошным (рис. 5-10, а, б), шпоночным или состоять из отдельных точек-электрозаклепок (рис. 5-11). Сплошной прорезной шов характерен для электроннолучевой, шпоночный и электрозаклепочный — для дуговой сварки. При дуговой сварке шпоночный и электрозаклепочный швы можно выполнять (в зависимости от толщины верхнего листа) с образованием отверстия перед сваркой или без него.
Рис. 5-7.
Угловое соединение с прямым углом между сопрягаемыми элементами
Рис. 5-8.
Соединение впритык
Рис. 5-9.
Расположение точечного шва в шахматном Порядке
Рис. 5-10. Прорезной шов:Рис. 5-10. Прорезной шов:а — дуговая сварка, б — электроннолучевая сваркаа — дуговая сварка, б — электроннолучевая сварка^i^ww ^Ж^
Рис. 5-10. Прорезной шов:
Рис. 5-10. Прорезной шов:
а — дуговая сварка, б — электроннолучевая сварка
а — дуговая сварка, б — электроннолучевая сварка
Рис. 5-11.
Прорезной шов, выполненный отдельными электрозаклепками
Различают прямолинейные, круговые и спиральные швы и швы более сложной конфигурации.
В зависимости от положения шва в пространстве и расположения источника нагрева по отношению к свариваемым кромкам различают сварку в нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном и наклонном положениях. При дуговой сварке стыкового шва в нижнем положении соединяемые детали располагают в горизонтальной плоскости (рис. 5-12, а), а при электро- шлаковом процессе и дуговой сварке с принудительным удержанием жидкой ванны — в вертикальной плоскости (рис. 5-12, б). При выполнении угловых швов в нижнем положении дуговым способом детали располагают так, как это представлено на рис. 5-12, в (сварка в «лодочку»). При толщине верхнего листа до 12 мм возможна сварка с оплавлением кромки. '
При сварке в нижнем положении электродный металл по мере его плавления переносится в сварочную ванну сверху вниз (в направлении силы тяжести), а поверхность сварочной ванны
Рис. 5-12. Сварка в нижнем положении:Рис. 5-12. Сварка в нижнем положении:а — дуговая сварка стыковых швов;б — электрошлаковая сварка стыковых швов;в — сварка швов таврового соединения «в лодочку»а — дуговая сварка стыковых швов;б — электрошлаковая сварка стыковых швов;в — сварка швов таврового соединения «в лодочку»
Рис. 5-12. Сварка в нижнем положении:
Рис. 5-12. Сварка в нижнем положении:
а — дуговая сварка стыковых швов;
б — электрошлаковая сварка стыковых швов;
в — сварка швов таврового соединения «в лодочку»
а — дуговая сварка стыковых швов;
б — электрошлаковая сварка стыковых швов;
в — сварка швов таврового соединения «в лодочку»
занимает горизонтальное положение. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для формирования шва. Сварку в нижнем положении можно выполнять всеми способами сварки плавлением. При сварке в нижнем положении под флюсом наклон продольной оси шва по отношению к горизонтальной плоскости не должен превышать 4°, при других способах дуговой сварки наклон может достигать 8—10°.
Для современного уровня развития сварочной техники характерно выполнение большинства швов в заводских условиях в нижнем положении. Эго достигается путем рационального проектирования конструкций и применения манипуляторов или других приспособлений, позволяющих устанавливать детали под сварку всех швов в удобном положении. В условиях монтажа следует стремиться к выполнению в нижнем положении максимального количества швов, применяя для этого укрупнительную сборку и сварочные манипуляторы.
При сварке в вертикальном положении кромки соединяемых элементов располагают вертикально на вертикальной плоскости. Перенос дополнительного металла в сварочную ванну обычно осуществляется в направлении, перпендикулярном к силе тяжести (рис. 5-13, aY В связи с указанными особенностями удовлетворительное формирование шва достигается только при небольшом объеме сварочной ванны. В этих условиях силы поверхностного натяжения удерживают жидкий металл от стекания. Сварку в вертикальном положении можно выполнять покрытыми электродами вручную или механизированным способом в защитном газе на режимах, обеспечивающих малый объем сварочной ванны. Сварку ведут, как правило, снизу вверх. Применяется также сварка сверху вниз.
Рис. 5-13. Перенос металла при сварке в вертикальном положении:Рис. 5-13. Перенос металла при сварке в вертикальном положении:Рис. 5-14.Сварка горизонтального шва на вертикальной плоскостиРис. 5-14.Сварка горизонтального шва на вертикальной плоскостиПутем манипуляций электродом можно приблизить характер переноса металла при сварке в вертикальном положении к сварке в нижнем положении (рис. 5-13, б). Источник теплоты при сварке в вертикальном положении располагают перпендикулярно в вертикальной плоскости или с небольшими отклонениями от такого положения.
Рис. 5-13. Перенос металла при сварке в вертикальном положении:
Рис. 5-13. Перенос металла при сварке в вертикальном положении:
Рис. 5-14.
Сварка горизонтального шва на вертикальной плоскости
Рис. 5-14.
Сварка горизонтального шва на вертикальной плоскости
а — горизонтальное положение электрода; б — наклонное положение электрода
Рис. 5-15. Сварка шва в угол Рис. 5-16. Сварка в потолочном положении
При сварке горизонтальных стыковых швов кромки свариваемых деталей расположены так, как показано на рис. 5-14. Перенос металла в сварочную ванну осуществляется перпендикулярно к направлению силы тяжести. Путем манипуляций концом электрода и соответствующей разделки кромок в этом случае также стремятся максимально приблизить характер переноса металла к переносу в нижнем положении.
При сварке угловых швов тавровых и нахлесточных соединений в положении не в «лодочку» перенос металла в сварочную ванну осуществляется под углом 45° к направлению силы тяжести (рис. 5-15), т. е. сварка в этом случае производится, в сущности, в полугоризонтальном положении. Такая техника выполнения шва получила название сварки в угол или наклонным электродом.
Сварку стыковых и угловых швов в горизонтальном положении выполняют преимущественно покрытыми электродами вручную или механизированным способом в защитных газах. Сварку угловых швов в положении не в «лодочку» производят при сечении шва (или слоя) не более 40 мм2. При большем сеченйи наблюдается стекание металла на горизонтально расположенный элемент. Сварка стыковых швов в горизонтальном положении под флюсом принципиально возможна, но находит пока ограниченное применение из-за сложности удаления шлаковой корки и плохого формирования поверхностных слоев металла, связанного с трудностью удержания шлака и жидкого металла.
Создание высокопроизводительного способа сварки стыковых горизонтальных швов является серьезной проблемой сварочной техники. Наличие таких швов неизбежно при монтаже крупных листовых конструкций.
При сварке в потолочном положении свариваемые кромки располагают так, как изображено на рис. 5-16. Перенос металла с электрода в сварочную ванну осуществляется снизу вверх, т. е. против силы тяжести, что препятствует нормальному формированию шва. Из-за сложности ведения сварки в потолочном положении (шов расположен над головой сварщика) и ухудшения условий дегазации ванны (пузырьки газов, всплывая, попадают в корень шва) качество металла шва снижается. Сварку в потолочном положении выполняют главным образом вручную покрытыми электродами, короткой дугой. Возможна сварка таких швов в защит-
нЫХ Газах. Сварку в Потолочном положении, как правило, При* меняют только при монтаже крупных конструкций, при сварке неповоротных стыков труб и при выполнении ремонтных работ.
Кроме нижнего, горизонтального и вертикального положений возможно наклонное положение швов. В зависимости от расположения кромок наклонные швы могут быть полупотолочными, полувертикальными и полугоризонтальными. Наклонные швы всех видов сваривают вручную покрытыми электродами и механизированными способами в защитных газах. Швы, расположенные под углом от 45 до 80° к горизонтальной плоскости, можно сваривать электрошлаковым способом. Сварка под флюсом при наклонном положении шва не применяется.
При лучевых способах сварки возможно выполнение швов во всех пространственных положениях, но практическое применение находит в основном сварка в нижнем положении.
§ 5-3. Подготовка и сборка деталей под сварку
Точность подготовки деталей к сварке, их чистота и качество сборки оказывают весьма существенное влияние на несущую способность и экономичность сварной конструкции. Недостаточно тщательное выполнение заготовительных и сборочных операций приводит к резкому возрастанию вероятности появления дефектов в сварных соединениях, и в конструкции в целом. Анализ дефектов, возникающих при сварке, однозначно показывает, что значительную долю брака следует отнести за счет плохого качества подготовки и сборки. Исправление брака в готовом изделии не всегда приводит к полному восстановлению заданных свойств сварного соединения и является трудоемкой и технически сложновыполнимой операцией.
Отсюда очевидно, что значительно рациональнее устранять дефекты, появившиеся при заготовке и сборке, до проведения операции сварки. Однако не следует предъявлять излишние и подчас трудновыполнимые требования к точности заготовок и их сборке под сварку, значительно удорожающие изготовление конструкции. Применяемые на практике способы сварки позволяют получать качественные сварные соединения при некоторых допустимых колебаниях точности заготовки деталей и сборки. Это возможно, безусловно, следует использовать.
Для получения заготовки, подлежащей сборке, необходимо выполнять ряд операций. Предварительно прокат, из которого будет изготовлена деталь, подвергают правке и зачистке с целью устранения загрязнений и неровностей, образовавшихся при прокатке, транспортировке и хранении металла. Правку листового материала осуществляют в правильных станах, зачистку —- в дробеметной установке или в специальных ваннах для травления и пассивирования.
Затем выполняют разметку или наметку деталей: разметку — путем перенесения размеров заготовки с чертежа непосредственно на металл, кернения металла по линии будущего реза и маркировки детали; наметку — путем перенесения на металл необходимых для изготовления заготовки размеров с шаблона, специально изготовленного из тонколистового металла, фанеры или картона. Чертилкой обводят контуры шаблона, после чего его удаляют, вдоль всей линии реза наносят керны и деталь маркируют. Вырезку заготовок производят на ножницах, автоматическими газопламенными машинами или ручными резаками. В последнее время начинает применяться резка сжатой дугой.
В некоторых случаях для удаления наклепанного металла, образовавшегося по кромкам при резке на ножницах, устранения неровностей, характерных для ручной газовой резки, кромки подвергают механической обработке на кромкострогальных станках. В случае необходимости используют холодную гибку металла или гибку в нагретом состоянии. Выбор того или иного способа определяется толщиной металла и радиусом кривизны неровности.
В зависимости от толщины свариваемого металла и формы разделки кромки подготовляют обрезкой на ножницах, строганием или газовой резкой. Наибольшее применение находит механизированная (машинная) кислородная резка, обеспечивающая высокую производительность и достаточную в большинстве случаев точность подготовки кромок. Последующая механическая обработка при качественном резе для сталей большинства марок не требуется. Необходимая точность подготовки кромок определяется типом шва, способом и режимом сварки. Отклонения от заданных размеров могут привести к снижению качества шва или повышению трудоемкости работ.
Основной металл до сборки в местах сварки должен быть очищен от ржавчины, масла, влаги, рыхлого слоя окалины и других загрязнений, могущих привести к образованию пор и других дефектов в швах. Особое внимание должно быть уделено зачистке металла при механизированных способах сварки. На рис. 5-17 показаны места, подлежащие зачистке перед дуговой сваркой для соединений различных типов. Особо тщательно следует зачищать торцы соединяемых элементов.
Зачистку производят до сборки узла механически (пескоструйным или дробеструйным способами, металлическими щетками, абразивом) или химически (травлением, газопламенной очисткой). Следует удалять с поверхности металла рыхлый слой ржавчины и окалины, а также грязь и лед даже в том случае, если загрязнение расположено вне места сварки. Это необходимо для того, чтобы при транспортировке и кантовке конструкции загрязнения не попали в место расположения будущего шва. Зачистка собранного узла в большинстве случаев безрезультатна, так как не достигается основная цель — очистка свариваемых кромок, а иногда даже и вредна в связи с тем, что продукты за-
Рис. 5-17. Участки металла, зачищаемые перед сваркой (указаны жирной линией)
чистки, попадая в зазор (особенно после сварки первого шва таврового соединения), задерживаются там.
Имеет смысл только прожигание места сварки газовым пламенем или продувка сухим сжатым воздухом непосредственно перед сваркой. При этом удаляются попавшие в зазор уже после сборки влага и грязь. Эта операция достигает цели при прожигании металла толщиной 10—12 мм с одной стороны и 18—20 мм с двух сторон. При электрошлаковой сварке в большинстве случаев зачистки кромок не требуется.
Сварке всегда предшествует сборка конструкции, т. е. установление и фиксация деталей в предусмотренном проектом положении. Сборка под сварку является одной из трудоемких и наименее механизированных операций. Она должна обеспечивать возможность качественной сварки конструкции. Для этого необходимо выдержать заданный зазор между соединяемыми деталями, установить детали в проектное положение и закрепить между собой так, чтобы взаиморасположение деталей не нарушилось в процессе сварки и кантовки, а если необходимо,— и транспортировки. Должен быть обеспечен свободный доступ к месту сварки. При электрошлаковой сварке детали, как правило, собирают с расширяющимся к концу шва зазором, что позволяет компенсировать усадку металла шва.
В подавляющем большинстве случаев взаимное расположение деталей перед дуговой сваркой фиксируется при помощи коротких отрезков швов, называемых прихватками (рис. 5-18, а). Сечение
181
Рис. 5-18. Способы закрепления деталей перед сваркойа — прихватки, б — гребенки, в — концевые планкиРис. 5-18. Способы закрепления деталей перед сваркойа — прихватки, б — гребенки, в — концевые планки
Рис. 5-18. Способы закрепления деталей перед сваркой
а — прихватки, б — гребенки, в — концевые планки
Рис. 5-18. Способы закрепления деталей перед сваркой
а — прихватки, б — гребенки, в — концевые планки
прихваток не должно превышать V3 сечения шва. Их максимальное сечение не более 25—30 мм2, длина 20—120 мм, расстояние между ними 300—800 мм. Прихватки выполняют покрытыми электродами, в защитных газах или под флюсом. В ряде случаев, особенно при сварке жестких узлов, прихватки заменяют сплошным швом небольшого сечения (беглым швом), что значительно повышает стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и уменьшает вероятность нарушения заданного взаимного расположения деталей в процессе сварки вследствие растрескивания прихваток Беглый шов сваривают вручную или механизированным способом.
Прихватки и беглый шов рекомендуется выполнять со стороны, обратной наложению первого рабочего шва или слоя. Беглый шов кроме скрепления деталей служит для удержания флюса и металла сварочной ванны в зазоре. При сварке ответственных конструкций вручную или в защитных газах на режимах, обеспечивающих малую глубину провара основного металла, прихватки и беглый шов следует удалять при наложении рабочего шва путем расчистки корня шва. При сварке под флюсом и в защитных газах на режимах, обеспечивающих достаточное проплавление основного металла, эта операция излишняя.
расположенных нарасположенных наДля скрепления деталей перед сваркой и в процессе нее применяют специальные планки-гребенки, удаляемые по мере формирования шва (рис. 5-18, б). Недостатками гребенок являются затраты металла на их изготовление и необходимость сварки и последующей зачистки
расположенных на
расположенных на
деталей широкодеталей широкоостатков прихваток, основном металле.
деталей широко
деталей широко
Для закрепления
применяют струбцины, клинья, стяжные уголки и другие механические приспособления. В некоторых случаях при массо-
Рис 5-19. Сборка стыковых соединений при элект- рошлаковой сварке
182
вом характере производства используют специальные кондукторы, в которых осуществляется сборка и сварка.
По концам детали обычно устанавливают специальные планки для вывода начала и конца шва за его пределы (рис. 5-18, в). Эти же планки служат и для скрепления деталей. При сварке с обязательным зазором в верхнюю часть зазора вводят короткие прокладки, которые соединяют с листами при помощи прихваток. При электрошлаковой сварке для фиксации деталей применяют скобы (рис. 5-19), устанавливаемые на расстоянии 500—1000 мм друг от друга. Иногда применяют вставки, удаляемые при подходе сварочного аппарата. Для вывода начала шва за пределы соединения при электрошлаковой процессе применяют выводные планки, имеющие ту же толщину, что и основной металл. Они также служат элементом, скрепляющим детали между собой.
§ 5-4. Конструктивное оформление и техника выполнения стыковых швов
Стыковое соединение обеспечивает возможность передачи усилия непосредственно от одной детали к другой без использования промежуточных элементов. Оно является оптимальным по количеству затрачиваемого металла и условиям работы соединения под нагрузкой. Стыковой шов должен гарантировать провар металла по всей его толщине. Наиболее рационален стыковой шов, образованный за счет расплавления только основного металла На практике такие швы применяют в небольшом объеме из-за ограничения предельной глубины проплавления при используемых источниках сварочного нагрева, невозможности сборки соединяемых деталей без зазора, а при наличии зазора —- из-за"потребности дополнительного металла для его заполнения. Наиболее характерен такой тип шва для электроннолучевой
Рис. 5-20. Односторонний шовРис. 5-20. Односторонний шовg — однослойный,g — однослойный,б — многослойный183б — многослойный183
Рис. 5-20. Односторонний шов
Рис. 5-20. Односторонний шов
g — однослойный,
g — однослойный,
б — многослойный
183
б — многослойный
183
Рис. 5-21. Двусторонний шов:
а — однослойный симметричный, б—многослойный симметричный, s—несимметричный сварки, однако отсутствие дополнительного металла ограничивает область применения и этого способа. Поэтому ведутся работы по сварке электронным лучом с дополнительным металлом.
В зависимости от количества слоев (проходов), необходимых для образования стыкового шва с полным проваром основного металла, различают однослойные и многослойные стыковые швы. При сварке изделия с одной стороны швы называют односторонними (рис. 5-20, а, б), с двух сторон — двусторонними (рис 5-21, а—в). Односторонние и двусторонние швы могут быть однослойными и многослойными (рис. 5-20 и 5-21).
Если сечения обоих швов при двусторонней сварке примерно равны между собой, то такой шов называют симметричным (рис. 5-21, а, б), если сечение шва с одной стороны больше сечения шва с другой стороны —несимметричным (рис 5-21, в) Слой большего сечения называют основным, а слой меньшего сечения — подварочным. Какой из швов должен быть сварен первым, зависит от конкретных условий сварки. Один из швов в несимметричном шве может быть многослойным, а другой — однослойным (рис. 5-21, в).
Рис. 5-22. Основные параметры (однослойного стыкового шва при дуговой сварке
Стыковые однослойные швы. Наиболее целесообразно выполнять стыковые швы в один слой. Конфигурация однослойного стыкового шва характеризуется следующими параметрами
(рис 5-22)- общая толщина шва Н; глубина провара h; ширина провара Ь; максимальная высота усиления а. Кроме этих основ
ных параметров конфигурация стыкового шва характеризуется
углом перехода от металла шва к основному металлу; сечением шва, образованным за счет расплавленного основного металла
и вводимого в сварочную ванну дополнительного металла; суммарной площадью шва, коэффициентом формы шва (отношение ширины шва к глубине проплавления) и коэффициентом формы усиления (отношение ширины шва к высоте усиления).
Сварку однослойных швов можно вести без зазора, в этом случае максимальная величина зазора определяется точностью подготовки кромок и колеблется в пределах 0—3 мм с обязательным зазором или со скосом кромок (рис. 5-23, а—в).
Толщина металла, при которой возможна дуговая сварка стыковых швов без разделки кромок, зависит от мощности источника нагрева и от возможности обеспечения нормального формирования шва (табл. 5-1)
Как видно из табл. 5-1, предельная толщина металла, при которой возможна сварка в один слой с одной или двух сторон, может быть увеличена за счет применения обязательного зазора между свариваемыми кромками или скоса кромок. Это достигается за счет увеличения глубины проплавления на величину, равную усилению (рис 5-23, а—в). Конфигурация разделки может быть любой, но она не должна выходить за пределы проплавления, типичные для данного режима Глубина провара определяется условиями равновесия между давлением дуги и гидростатическим.
Рис. 5-23. Подготовка кромок при дуговой сварке однослойных швов а — без зазора б — с обязательным зазором в — со скосом кромок, / — введенный в шов дополнительный металл 2 — подверг шийся расплавлению основной металлРис. 5-23. Подготовка кромок при дуговой сварке однослойных швов а — без зазора б — с обязательным зазором в — со скосом кромок, / — введенный в шов дополнительный металл 2 — подверг шийся расплавлению основной металл
Рис. 5-23. Подготовка кромок при дуговой сварке однослойных швов а — без зазора б — с обязательным зазором в — со скосом кромок, / — введенный в шов дополнительный металл 2 — подверг шийся расплавлению основной металл
Рис. 5-23. Подготовка кромок при дуговой сварке однослойных швов а — без зазора б — с обязательным зазором в — со скосом кромок, / — введенный в шов дополнительный металл 2 — подверг шийся расплавлению основной металл
Таблица 5-1
Максимальная толщина (мм) металла, свариваемого в один слой с одной или двух сторбн
Сварка
Односторонний шов
Двусторонний шов
с обязатель-
зазором нлн скосом кромок
без зазора
с обязательным зазором нли скосом кромок
зазора
Вручную покрытыми электродами.
обычное покрытие . . .
3
2
5
3
покрытие, обеспечивающее глубокий провар . .
5
4
8
6
Полуавтоматическая в углекислом газе или под флюсом проволокой сплошного сечения
10
8
16
12
Автоматическая под флюсом
22
18
42
32
давлением, оказываемым жидкими металлом и шлаком. Следовательно, на сколько снизится точка Лх по сравнению с точкой Л, на столько же снизится и точка Бг относительно точки Б. Величина Н при этом останется постоянной (рис. 5-23).
Недостатком сварки с разделкой кромок, по сравнению со сваркой с обязательным зазором, является большая стоимость работ по подготовке деталей к сварке. Ее преимущество заключается в улучшении условий формирования шва за счет равномерного отвода теплоты от его корня при сварке первого слоя двусторонних швов, что снижает вероятность образования кристаллизационных трещин и шлаковых каналов (§ 6—6), наблюдаемых при сварке с обязательным зазором.
Хорошее формирование шва обеспечивается при сечении разделки или зазора, равном 50—70% сечения вводимого в шов электродного металла. При этом избыточный дополнительный металл образует небольшое усиление, обеспечивающее плавность перехода от шва к основному металлу (рис. 5-24, а). Если сечение разделки или зазора равно сечению вводимого в шов электродного металла, то шов формируется без усиления, заподлицо с основным металлом (рис. 5-24, б). Если сечение разделки или
Рис. 5-24. Формирование шва при различной площади^разделки или зазора:
а — площадь разделки равна ~60% площади, вводимого в шов электродного металла,
б — то же 100%;в — то же более 100%
зазора больше сечения вводимого в шов электродного металла, то толщина шва будет меньше толщины основного металла (рис. 5-24, в).
При автоматической и полуавтоматической сварке однослойных швов форму разделки определяют по нижеприведенной схеме. Исходя из принятого режима сварки, при котором обеспечивается необходимая глубина проплавления основного металла, рассчитывают сечение вводимого в шов электродного металла (при односторонней или двусторонней сварке) по формуле
р р уэлд эл VCB ’
где Рэл — сечение электродной проволоки, мм2; иэл — скорость подачи электродной проволоки, м/ч; исв— скорость сварки, м/ч.
Сечение разделки определяют по формуле
где &у ■—■ коэффициент, учитывающий усиление шва, обычно равный 1,4—1,6.
По площади сечения разделки, задаваясь углом раскрытия кромок 50—70° (в зависимости от ширины шва), определяем ее глубину. Глубина разделки должна быть меньше глубины провара. Ширину зазора а при сварке с обязательным зазором определяют по формуле
При односторонней сварке п равно толщине свариваемого металла; при двусторонней сварке п равно 0,7 этой толщины. Однослойная сварка под флюсом наиболее целесообразна для соединения металла толщиной 5—42 мм. Дальнейшее увеличение толщины металла, свариваемого в один слой, ограничивается сложностью обеспечения нормального формирования шва большого сечения, а не отсутствием источников нагрева необходимой мощности. Плохое формирование шва проявляется в неравномерном бугристом очертании его поверхности, узком и глубоком проваре, способствующем снижению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин.
Для предупреждения появления шлаковых каналов при сварке с обязательным зазором рекомендуется заполнять зазор металлическим наполнителем (железным порошком, рубленой проволокой, окатышами и др.). Это обеспечивает существенное уменьшение вероятности образования шлаковых каналов и несколько улучшает металлургическую обработку сварочной ванны. Однако стоимость шва вследствие относительно высокой цены наполнителя и дополнительной операции по его засыпке в зазор повышается. Применение наполнителя обычного состава не дает воз-
можности повысить линейную скорость сварки, увеличить максимальную толщину металла, свариваемую за один проход, и снизить вероятность появления кристаллизационных трещин. Поэтому более перспективна сварка без зазора со скосом кромок.
Первый слой двусторонних швов можно сваривать любым способом, обеспечивающим удержание сварочной ванны в зазоре между кромками, применяя ручную подварку, временную подкладку, флюсовую подушку, заделку зазора асбестом, ременную или медную подкладку и др. Шов со второй стороны сваривают «на весу». Выполнение первого слоя «на весу» возможно для ручной и полуавтоматической сварки при зазоре не более 2 мм, а для автоматической сварки под флюсом —■ при зазоре не более 1 мм. Ручную подварку не удаляют, а переваривают в процессе наложения последующего шва.
При двусторонней сварке оба слоя, как правило, сваривают с одинаковым проваром, составляющим 60—70% толщины основного металла. Это обеспечивает достаточно большое перекрытие проваров. При необходимости можно сваривать двусторонние швы так, чтобы провар одного слоя составлял 30—35% толщины металла, а второго— 70—80%. Такой способ используют в том случае, если первый слой сваривают вручную покрытыми электродами, полуавтоматом под флюсом или в углекислом газе, а второй — автоматом под флюсом. Дальнейшее уменьшение глубины провара первого шва недопустимо, так как если глубина провара при сварке второго шва, который выполняют «на весу», превысит 80% толщины металла, неизбежен прожог соединения, что связано со скачкообразным нарастанием глубины проплавления.
Сварка односторонних швов с полным проваром металла и качественным формированием обратного валика представляет сложную, до сих пор не решенную до конца задачу. При сварке односторонних швов для обеспечения полного провара кромок металл необходимо доводить до расплавления на всю толщину свариваемых деталей. Если не принять специальных мер, то ничем не удерживаемая сварочная ванна вытечет из стыка и вместо шва образуются прожоги. Для предотвращения вытекания сварочной ванны под стык устанавливают специальные приспособления, получившие название подкладок и подушек. В зависимости от материала различают медные, флюсо-медные, флюсо-керамические и стальные подкладки и подушки. Находят также применение подкладки из стекловолокна и других материалов.
Сварка с полным проваром без принятия специальных мер для удержания сварочной ванны, т. е. «на весу», возможна для тонкого металла с подачей аргона со стороны корня шва. Аргон резко увеличивает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя удержанию сварочной ванны. Возможна сварка покрытыми электродами на малой погонной энергии, когда сварочная ванна удерживается силами поверхностного натяжения.
Флюсо-медная подкладка представляет собой медную полосу, поджимаемую к основанию стыка, на поверхность которой в специальную канавку обычно треугольной формы насыпают слой флюса. Подкладку устанавливают стационарно или передвигают по мере сварки шва (скользящая подкладка). Флюс улучшает формирование обратного валика и предохраняет подкладку от непосредственного воздействия дуги.
Стальные подкладки приваривают к свариваемым деталям (остающиеся подкладки) или удаляют после сварки (временные или технологические подкладки). Толщина стальной подкладки должна составлять 30—40% толщины свариваемого металла (а при многослойной сварке — толщины слоя). Непременным условием для качественной сварки является точная подгонка подкладок. Зазор между стыком и подкладкой любого типа не должен превышать 1 мм. Медная и флюсо-медная подкладки, остающиеся и временные стальные подкладки служат не только для механического удержания жидкой сварочной ванны, но и изменяют характер теплоотвода от основания сварочной ванны, как бы увеличивая толщину свариваемого металла.
Флюсовая подушка не изменяет характера теплоотвода от основания сварочной ванны и служит только для механического удержания жидкого металла путем принудительного поджатия флюса к основанию стыка. Поэтому при сварке на флюсовой подушке полное проплавление основного металла достигается при меньшей силе тока, чем при сварке на подкладках. Это связано с тем, что при ограниченном теплоотводе от основания сварочной ванны глубина провара скачкообразно увеличивается до полного проплавления кромок. Флюсовые подушки бывают однородными и комбинированными.
При сварке на стальной привариваемой подкладке изменяется характер кристаллизации металла шва в его корне (рис. 5-25, а) по сравнению с характером кристаллизации этого участка при сварке на флюсовой подушке (рис. 5-25, б) или флюсо-медной подкладке. Это, как указывалось выше, благоприятно отражается на стойкости металла против возникающих по оси шва кристаллизационных трещин. При сварке на остающейся подкладке иногда наблюдаются трещины, берущие начало от щели между сопрягаемыми элементами.
Рис. 5-25. Характер кристаллизации корня а — на остающейся подкладке; в — при соединении «в замок»Рис. 5-25. Характер кристаллизации корня а — на остающейся подкладке; в — при соединении «в замок»шва при сварке:б — на флюсовой подушке;шва при сварке:б — на флюсовой подушке;
Рис. 5-25. Характер кристаллизации корня а — на остающейся подкладке; в — при соединении «в замок»
Рис. 5-25. Характер кристаллизации корня а — на остающейся подкладке; в — при соединении «в замок»
шва при сварке:
б — на флюсовой подушке;
шва при сварке:
б — на флюсовой подушке;
189
Сварка стыковых швов при соединении в замок (рис. 5-25, в) не обеспечивает полного провара основного металла. Соединение «в замок» применяется в круговых швах толстостенных труб и сосудов. Характер кристаллизации тот же, что и при сварке на остающейся подкладке, но возможно образование трещи ны от щели.
Применение подкладок и подушек позволяет получать односторонние швы. Однако, несмотря на большое количество используемых для этой цели технологических приемов и приспособлений, не всегда удается обеспечить надлежащее и стабильное формирование обратного валика. Бывают случаи, когда форма обратного валика даже в пределах одного стыка изменяется в широких пределах. Поэтому стыковые швы ответственных конструкций, как правило, сваривают с двух сторон. При этом качество сварки значительно более стабильное и возможно получение однослойных (двусторонних) швов на металле большей толщины (см. табл. 5-1).
Переход на одностороннюю сварку пока оправдан только в случае действительной необходимости, например при изготовлении громоздких узлов, когда затруднена или вообще невозможна их кантовка, или для изделий, размеры которых не позволяют проводить сварку со второй стороны. При односторонней сварке следует в большем объеме проводить контроль качества. Возрастает время, затрачиваемое на исправление дефектов, а при некоторых условиях и на правку конструкций.
При автоматической сварке однослойных швов любой длины и при сварке коротких швов (до 300 мм) вручную их заваривают от начала до конца — напроход. При ручной сварке швов средней длины для уменьшения сварочных деформаций и напряжений их заваривают двумя участками (рис. 5-26, а), или так называемым обратноступенчатым способом (рис. 5-26, б), или же от середины к концам шва (рис. 5-26, в). При обратноступенчатом способе сварки весь шов разбивают на отдельные участки длиной 100—■ 300 мм. Сварку каждого участка (ступени) выполняют в направ-
Рис. 5-26. Последовательность сварки однослойных швов вручную и полуавтоматом. Длинной стрелкой указано общее направление сварки, короткой — направление сварки данной ступени (/—7 — последовательность сварки)
Ленин, обратном общему направлений сйарки (рис. 5-26, б). При этом конец каждой последующей ступени совпадает с началом предыдущей. При полуавтоматической сварке под флюсом применяют как сварку напроход, так и сварку ступенями.
возможность качественного выполнения швов на повышенныхвозможность качественного выполнения швов на повышенныхПроизводительность при выполнении однослойных стыковых швов определяется линейной скоростью сварки, равной скорости перемещения источника нагрева, и величиной коэффициента использования сварочной установки. Максимальная скорость, при которой возможно качественное выполнение стыкового однослойного шва, зависит от вида и режима сварки, толщины свариваемого металла, возможной точности направления конца электрода по месту стыка и от формы сварочной ванны. Она практически не зависит от количества вводимого в шов за единицу времени дополнительного металла. Важные показатели для этого случая — проплавляющая способность источника теплоты и
возможность качественного выполнения швов на повышенных
возможность качественного выполнения швов на повышенных
скоростях, для чего широкое применение находит многодуговой процесс.
При однослойной сварке необходимы тщательная зачистка металла и точная сборка под сварку, повышенная стабильность
режима, точное направление электрода, применение только кондиционных сварочных материалов, т. е. наличие высокой культуры производства. Поэтому на практике подчас даже вопреки технической целесообразности применяют многослойную сварку, при которой дефекты, образовавшиеся в одном из слоев, устраняются при наложении последующих.
Стыковые многослойные швы. Если проплавляющая способность источника теплоты не обеспечивает возможности провара основного металла с одной или двух сторон на всю толщину, то производят специальную подготовку свариваемых кромок. В этом
случае между соединяемыми элементами оставляют пространство, позволяющее приблизить источник теплоты к самой отдаленной от поверхности точке основного металла. Достигается это за счет скоса кромок с оставлением небольшого нескошенного участка —■ притупления, которое проплавляется в процессе сварки (рис. 5-27, а—а).
К многослойной сварке со скосом кромок даже для толщин, которые могут быть сварены в один слой, прибегают и в тех случаях, когда отсутст-
Рис. 5-27. Форма разделки кромок, применяемая при дуговой сварке многослойных швов: а — V образная;
б — рюмкообразная; в — Х-образная, г — двойная рюмкообразная
Рис. 5-28. Размещение шва при различной подготовке кромок.Рис. 5-28. Размещение шва при различной подготовке кромок.а — без скоса кромок,а — без скоса кромок,в — с оптимальным углом скоса кромокв — с оптимальным углом скоса кромокб — с малым углом скоса кромок,б — с малым углом скоса кромок,
Рис. 5-28. Размещение шва при различной подготовке кромок.
Рис. 5-28. Размещение шва при различной подготовке кромок.
а — без скоса кромок,
а — без скоса кромок,
в — с оптимальным углом скоса кромок
в — с оптимальным углом скоса кромок
б — с малым углом скоса кромок,
б — с малым углом скоса кромок,
вуют источники питания достаточной мощности, необходимо уменьшить долю основного металла в металле шва (например при сварке среднеуглеродистых, среднелегированных и других марок стали), создать благоприятный термический цикл или снизить вероятность образования дефектов и пр. Очевидно, что такое решение вопроса менее целесообразно, чем сварка без разделки кромок, так как в этом случае искусственно удаляется часть основного металла, а образовавшаяся полость заполняется другим, более дорогим, электродным или присадочным металлом. При этом металл шва на 60—80% состоит из электродного и только на 20—40% из основного металла. Производительность сварки существенно снижается.
Условия, благодаря которым осуществляется провар корня шва при многослойной сварке, ясны из схем, приведенных на рис. 5-28. При сварке без разделки кромок при данной мощности источника нагрева шов будет формироваться так, как показано на рис. 5-28, а. Если раздвинуть кромки на расстояние, превосходящее ширину шва, то при той же мощности источника нагрева шов погрузится в разделку до такого положения, при котором ширина его совпадет с шириной разделки (рис. 5-28, б).
При увеличении угла раскрытия кромок произойдет дальнейшее понижение уровня сварочной ванны и при той же мощности источника нагрева и форме шва будет достигнут провар соединяемых деталей в корне шва (рис. 5-28, в). При малом угле разделки кромок трудно обеспечить провар и при многослойном шве.
Кромки под сварку разделывают путем удаления части металла по плоскости, расположенной под некоторым углом к вертикальной оси (V-образная разделка кромок, рис. 5-27, а), или же по специально подобранной криволинейной поверхности (рюмкообразная разделка кромок, рис. 5-27, б). Характер подготовки кромок под сварку при V-образной разделке определяется углом раскрытия кромок а или углом скоса кромок-^-, величиной притупления р и расстоянием (зазором) между свариваемыми деталями а (см. рис. 5-27, а).
Угол раскрытия кромок выбирают с таким расчетом, чтобы были обеспечены провар вершины угла притупления и оптимальный коэффициент формы провара. При малом угле раскрытия
192
возможны непровар вершины угла (см. рис. 5-28, б) и возникновение кристаллизационных трещин. Последнее связано с тем, что для достижения провара при этих условиях слой должен иметь малый коэффициент формы. Угол раскрытия кромок практически не зависит от толщины свариваемого металла и мало зависит от способа сварки. При любой толщине необходимо создать условия для качественного выполнения первого слоя.
Форма подготовки кромок при рюмкообразной разделке определяется величиной притупления р и величиной зазора а, назначаемыми из тех же соображений, что и для V-образной разделки, радиусом г, изменяемым в пределах 5—8 мм, и углом скоса кромок а, равным 10—14°. По условиям формирования металла первого слоя и по сечению разделки предпочтительна рюмкообразная подготовка кромок. Однако в этом случае увеличивается сложность подготовки под сварку и требуется более точное направление электрода по оси соединения для обеспечения провара кромок.
Для уменьшения сечения разделки применяют двустороннюю V-образную разделку, называемую Х-образной (см. рис. 5-27, в), и двустороннюю рюмкообразную разделку (см. рис. 5-27, а). Они могут быть симметричными и несимметричными по отношению к горизонтальной оси.
Применение двусторонней разделки позволяет на 30—40% сократить сечение шва. Благодаря симметричности сечения шва при двусторонней разделке значительно уменьшается угловая деформация конструкции по сравнению со сваркой одностороннего многослойного шва. Недостатками двусторонней разделки кромок является трудность провара вершины угла, особенно при сварке вручную, и сложность обеспечения совпадения притупления в обеих кромках.
Величина зазора зависит от толщины металла, способа сварки и диаметра электрода. Опыт показал, что для обеспечения высокого качества сварного соединения важно не столько абсолютное значение зазора, сколько постоянство его по длине соединения. При значительных колебаниях ширины зазора трудно обеспечить стабильность провара, постоянство сечения шва и хорошее его формирование. Величина притупления определяется глубиной проплавления металла, достигаемой при сварке первого слоя. Она зависит от способа сварки, режима сварки и формы подготовки кромок. С разделкой кромок можно сварить металл любой толщины.
Иногда применяют одностороннюю или двустороннюю разделку только одной кромки (рис. 5-29). В этом случае сечение разделки уменьшается незначительно, так как угол скоса одной кромки практически равен углу раскрытия при симметричной разделке, а доступ к вершине шва и направление электрода по оси соединения значительно затруднены. Поэтому такой вид подготовки кромок следует рекомендовать только для специальных случаев, например при сварке швов в горизонтальном положении
13 Заказ № 782 1$3
Рис. 5-29. Форма соединения при сварке горизонтальных швов со скосом только одной из кромокРис. 5-29. Форма соединения при сварке горизонтальных швов со скосом только одной из кромок
Рис. 5-29. Форма соединения при сварке горизонтальных швов со скосом только одной из кромок
Рис. 5-29. Форма соединения при сварке горизонтальных швов со скосом только одной из кромок
(рис. 5-30). Наличие нижней нескошенной кромки облегчает формирование шва.
Параметры различных видов разделки и выбор способов подготовки кромок для различных методов дуговой сварки регламентированы ГОСТ 8713—70, 14771—69 и 5264—69. Однако эти рекомендации не всегда бывают оптимальными, и поэтому следует продолжать работы по уточнению существующих и созданию новых вариантов подготовки кромок. Для автоматической сварки многослойных швов в защитных газах возможно применение сварки с щелевой разделкой (рис. 5-31). Опыт ее использования еще невелик. Первые данные свидетельствуют о повышенной вероятности образования дефектов. При толщине металла до 60 мм сварка с щелевой разделкой по производительности процесса и расходу электродной проволоки не имеет преимуществ перед автоматической сваркой под флюсом с двусторонней рюмкообразной подготовкой кромок.
Общий принцип, который должен быть положен в основу выбора формы разделки кромок для данных конкретных условий, сводится к применению разделки минимального сечения, обеспечивающей необходимое качество шва при принятом способе сварки и имеющемся сварочном оборудовании.
Рис. 5-30.
Подготовка кромок при сварке горизонтальных швов, расположенных на вертикальной плоскости
Рис. 5-31. Щелевая разделка
Сборка с зазором между кромками типична для электро- шлаковой сварки. Величина зазора в этом случае определяется конструкцией и размерами токоподводящих мундштуков и необходимостью создания шлаковой ванны оптимального объема. Если требуется сварить шов электро- шлаковой сваркой без полного провара при отсутствии доступа со стороны внутренней поверх
ности шва, то иногда приме
няют разделку кромок. Параметры разделки кромок для элект- рошлаковой сварки выбирают в соответствии с ГОСТ 15164—69.
Сварку многослойных швов вне зависимости от толщины металла следует, как правило, выполнять на одних и тех же режимах. Толщина металла сказывается только на количестве слоев. Все слои, кроме первого, рекомендуется выполнять на одном режиме. Это особенно важно при автоматической и полуавтоматической сварке: при этом отпадает необходимость в переналадке режима. При наложении первого слоя требуются такие же меры для удержания сварочной ванны, как и при однослойных швах. Формирование обратного валика при односторонней сварке многослойных швов тоже не отличается стабильностью.
Сечение слоя при сварке многослойных швов выбирают исходя из необходимости стабильного провара корня шва и хорошего формирования остальной его части. Сечение слоя определяется положением шва в пространстве и способом сварки. Во всех случаях следует стремиться к максимальному сечению слоя, что дает возможность уменьшить число слоев, снизить затраты времени на зачистку шлака, установку автомата и другие вспомогательные работы. При сварке стыковых швов вручную площадь поперечного сечения первого слоя (в мм3) выбирают по следующей установленной практически зависимости:
ГС1 = (6-8)4Л,
где <ДЛ — диаметр электрода, мм. Площадь сечения первого слоя не должна превышать 30—35 мм3. Для обеспечения провара корня шва сварку первого слоя следует выполнять электродом диаметром не более 4 мм. Площадь сечения последующих слоев определяют по формуле
Fc = (8 — 12) 4л-
При автоматической сварке под флюсом площадь сечения слоя обычно не превышает 70—80 мм3, однако может достигать 100 мм3
Рис. 5-32. Наложение первых слоев двусторонних многослойных швов: а — первый слой,б — второй слой с той же стороны,в — первый слой с другой стороныРис. 5-32. Наложение первых слоев двусторонних многослойных швов: а — первый слой,б — второй слой с той же стороны,в — первый слой с другой стороны
Рис. 5-32. Наложение первых слоев двусторонних многослойных швов: а — первый слой,б — второй слой с той же стороны,
в — первый слой с другой стороны
Рис. 5-32. Наложение первых слоев двусторонних многослойных швов: а — первый слой,б — второй слой с той же стороны,
в — первый слой с другой стороны
и более, формулеи более, формулеЧисло слоев при всех методах сварки определяют по
и более, формуле
и более, формуле
n = k
п fc >
где £у •— коэффициент, учитывающий усиление шва, принимают равным 1,2—1,3; Fp— площадь сечения разделки, мм2.
При многослойной дуговой сварке особенно тщательно следует выполнять первый проход, обеспечивающий провар корня шва. При всех способах сварки его накладывают строго по оси соединения без колебательных движений конца электрода. Смещение шва на одну из кромок повышает стойкость против образования кристаллизационных трещин, но при этом возможны непровары.
При сварке под флюсом ответственных конструкций режим обычно выбирают так, чтобы первый слой, в котором наиболее вероятно возникновение дефектов, при двусторонней сварке полностью, а при односторонней сварке почти полностью переваривался последующими слоями (рис. 5-32, а—в и 5-33, а, б). Сечение и форма первого слоя должны обеспечивать возможность погружения его в разделку (см. рис. 5-28, s) Второй, а иногда и третий слой также накладывают по оси соединения Все последующие слои выполняют со смещением электрода от оси соединения на одну из кромок с таким расчетом, чтобы каждый последующий
Рис. 5-33. Наложение первых слоев одностороннего многослойного шваРис. 5-33. Наложение первых слоев одностороннего многослойного шваа — первый слой,а — первый слой,б — второй слой196б — второй слой196
Рис. 5-33. Наложение первых слоев одностороннего многослойного шва
Рис. 5-33. Наложение первых слоев одностороннего многослойного шва
а — первый слой,
а — первый слой,
б — второй слой
196
б — второй слой
196
Рис. 5-34. Сварка широкими слоями
слой перекрывал предыдущий примерно на ^з его ширины. В такой последовательности сварку ведут до полного заполнения разделки. При автоматической сварке под флюсом расчистку кромок корня шва перед сваркой со второй стороны не производят.
При сварке вручную кроме схемы наложения слоев, приведенной на рис. 5-20, б, применяют схему, показанную на рис. 5-34. Для получения уширенных слоев конец электрода перемещают в поперечном направлении (рис. 5-35).
При автоматической сварке все слои многослойного шва выполняют напроход последовательно один за другим. При ручной сварке с целью уменьшения сварочных деформаций, снижения скорости остывания металла шва и околошовной зоны и уменьшения возможности образования
трещин, связанных с недостаточным сечением слоя, применяют сварку секциями, каскадом и горкой (выполненную двумя сварщиками). Сущность этих методов ясна из схем, приведенных на рис. 5-36, а—в. Длина каждой ступени в зависимости от состава основного металла колеблется в пределах 300—600 мм. Каждый последующий слой накладывают на еще не успевший остыть предыдущий слой. Скорости охлаждения околошовной зоны и
металла шва невелики, так как нагрев основного металла при наложении каждого слоя является как бы предварительным подогревом перед сваркой последующего слоя. В наихудших термических условиях находится первый слой, поэтому длину ступени
Рис. 5-35. Перемещение конца электрода
197
Рис. 5-36. Последовательность выполнения многослойных швов при ручной и полуавтоматической сварке:
а — секциями;б — каскадом;в — горкой
и режим сварки выбирают так, чтобы перед наложением второго слоя первый не успел остыть ниже температуры 200° С.
При сварке склонной к закалке стали толщиной более 30— 40 мм перед наложением первого слоя кромки подогревают. Подогрев до температуры 200—250° С обычно осуществляют газовыми горелками или индукторами. При сварке низкоуглеродистых, не склонных к закалке сталей длина ступеней значительно увеличивается. При сварке секциями или горкой каждый слой металла шва и окружающий его металл околошовной зоны проходят цикл закалки (нагрев при сварке и охлаждение после нее) и цикл отпуска (нагрев и охлаждение при сварке последующего слоя). После сварки последнего слоя шва по границе сплавления с основным металлом накладывают дополнительный, так называемый отжигающий валик.
Сварку вертикальных швов с двусторонней подготовкой кромок обычно ведут с двух сторон одновременно (сварка в две дуги). При сварке вертикальных и горизонтальных швов силу тока обычно снижают на 15—20% по сравнению с силой тока при сварке в нижнем положении. Применяют электроды диаметром не более 5 мм, обеспечивающие получение сварочной ванны небольшого размера. При сварке потолочных швов с целью облегчения переноса электродного металла используют электроды диаметром не более 4 мм и снижают силу тока на 20—25% по сравнению с силой тока при сварке в нижнем положении. Сварку ведут при низком напряжении дуги — короткой дугой.
Производительность процесса при выполнении многослойных швов определяется скоростью сварки, которая зависит от величины притупления, сечения разделки, количества вводимого в шов за единицу времени дополнительного металла и коэффициента использования установки. Если скорость перемещения
198
иисвсв11,1. Г"УП. И, УП. И2Уп. Нп11,1. Г"УП. И, УП. И2Уп. Нпм/ч,м/ч,(5-1)(5-1)
и
и
св
св
1
1,1. Г"
УП. И, УП. И2Уп. Нп
1
1,1. Г"
УП. И, УП. И2Уп. Нп
м/ч,
м/ч,
(5-1)
(5-1)
Рис. 5-37. Подготовка стыка для двусторонней сварки с увеличенным притуплением (со стороны разделки накладывается многослойный, а с другой стороны — однослойный шов)
источника нагрева для всех слоев шва одинакова, то скорость сварки определяется зависимостью
где vn, и — скорость перемещения источника теплоты, м/ч.
Если скорость перемещения источника нагрева от слоя к слою изменяется, то скорость сварки определяется зависимостью
где ип. И1! уп. и2! уп. ип — скорости перемещения источника теплоты при сварке первого, второго и последующих слоев.
Для повышения производительности сварки стремятся максимально увеличить величину притупления (рис. 5-37 и табл. 5-2), применить разделку кромок наименьшего возможного сечения и повысить количество вводимого в сварочную ванну за единицу времени дополнительного металла. Чтобы повысить последний показатель, увеличивают силу тока и число одновременно горящих дуг, повышают коэффициент наплавки (за счет роста плотности тока и предварительного подогрева электрода) или вводят в разделку металл в виде стержней, порошка, крупки, окатышей, Таблица 5-2
Величина притупления кромок при различных способах сварки, мм
Односторонний шов | Двусторонний шов
Разделка кромок
Сварка
V-образная с углом 55°
Рюмкообразная
Х-образ- ная с углом 55°
Двойная рюмкообразная
По рис. 5—37
Автоматическая под флюсом Полуавтоматическая под
5+1
8+1
7+1
12+1
14+1
флюсом и в углекислом газе проволокой сплошного сечения (без поперечного колебания электрода)
2+0,5
4,5+0,5
3±0,5
6±0,5
полос и т п Иногда дополнительный металл вводят во флюс или в покрытие электродов Все эти меры имеют свои преимущества и недостатки и повышают производительность процесса (по основному времени) примерно на 30—40% Выбор наиболее пригодного способа увеличения количества вводимого за единицу времени дополнительного металла зависит от конкретных условий сварки.
§ 5-5. Конструктивное оформление и техника выполнения угловых швов и швов других типов
Угловые швы могут быть однослойными и многослойными (рис 5-38, а, в) В некоторых случаях в угловых швах тавровых соединений требуется полный провар одного из соединяемых элементов (рис 5-39, а—s) Прочность углового шва зависит от его длины, механических свойств металла шва и величины расчетного параметра, определяющего наименьшее сечение, по которому происходит разрушение соединения
Однослойные угловые швы. Эти швы получают за счет вводимого в сварочную ванну дополнительного металла, заполняющего угол между сопрягаемыми деталями (так называемая внешняя часть шва), и основного металла, образующего внутреннюю часть шва (рис 5-40) Отношение между этими частями зависит от способа и режима сварки Наиболее часто применяют однослойные угловые швы без полного провара Конфигурацию однослойного углового шва определяют такие параметры, как катеты внешней части шва к, глубина проплавления по месту сопряжения сваривае-
Рис 5-39. Угловой шов с полным проваром одного из элементов а — двусторонний однослойный, б — двусторонний многослойный несимметричный, в — двусторонний многослойный симметричный
мых деталей s, расчетный параметр шва h, толщина шва Н, ширина шва Ь, коэффициент формы шва ф (рис 5-41), площадь проплавления основного металла, площадь внешней части шва и
суммарная площадь шва.
При сварке вручную покрытыми электродами и полуавтоматической сварке в углекислом газе и под флюсом на токах до 250 А сечение шва образуется в основном за счет его внешней части (рис 5-42, а). При этом расчетный параметр шва равен 0,7&, а коэффициент формы шва приближается к 2
При полуавтоматической сварке под флюсом и в углекислом газе проволокой сплошного сечения на токах более 250 А без поперечного колебания электрода и при сварке специальными покрытыми электродами, обеспечивающими глубокое проплавление основного металла, на характерных для рассматриваемых случаев режимах шов формируется за счет внешней части и провара основного металла (рис 5-42, б). Расчетный параметр такого шва равен 0,85^, а коэффициент формы шва изменяется в пределах 1,5—1,6. При автоматической сварке под флюсом на характерных для этого случая режимах глубина проплавления увеличивается (рис. 5-42, в) и расчетный параметр достигает значения l,0fe Коэффициент формы шва составляет 1,3—1,4 Характер формирования и разрушения швов, сварных различными способами, ясен из рис 5-43 Зависимость между расчетным пара
метром и катетом швов, выполненных различными способами (рис. 5-44), распространяется на многослойные и однослойные швы, сваренные вручную, и однослойные швы, сваренные под флюсом и в углекислом газе. Штриховой линией
Рис 5-40 Строение однослойного углового шва • — часть, образованная за счет расплавления основного металла
Рис. 5-41.
Основные параметры однослойного углового шва
на рис. 5-44 обозначены случаи," когда однослойный шов может быть выполнен только в положении в «лодочку». Для нормального формирования угловых швов при сварке в угол максимальные размеры катетов не должны превышать 9 мм. В случае сварки в «лодочку» максимальные размеры катетов составляют 16 мм при автоматической сварке под флюсом и 12 мм при полуавтоматической сварке под флюсом и в углекислом газе и при ручной дуговой сварке. Швы большого сечения сваривают в несколько слоев.
Путем применения специальных режимов сварки величину расчетного параметра шва можно довести до l,3fe, для данного случая ф^ 1. Швы со столь малым значением коэффициента формы даже при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей обладают пониженной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Поэтому режимы сварки, обеспечивающие такое формирование шва, не находят пока практического применения. Все сказанное справедливо для случая сварки сталей, для которых увеличение доли участия основного металла в металле шва не оказывает отрицательного влияния на его свойства (стойкость против трещин, механические свойства и др.).
Увеличение проплавления основного металла при механизиро-
Рис. 5-42. Конфигурация угловых швовРис. 5-42. Конфигурация угловых швова — сварка покрытыми электродами;б — сварка на режимах, характерных для полуавтоматических процессов, в — сварка на режимах, характерных для автоматической сварки под флюсома — сварка покрытыми электродами;б — сварка на режимах, характерных для полуавтоматических процессов, в — сварка на режимах, характерных для автоматической сварки под флюсом
Рис. 5-42. Конфигурация угловых швов
Рис. 5-42. Конфигурация угловых швов
а — сварка покрытыми электродами;
б — сварка на режимах, характерных для полуавтоматических процессов, в — сварка на режимах, характерных для автоматической сварки под флюсом
а — сварка покрытыми электродами;
б — сварка на режимах, характерных для полуавтоматических процессов, в — сварка на режимах, характерных для автоматической сварки под флюсом
Рис. 5-43. Характер разрушения однослойного углового шва а — сварка вручную покрытыми электродами, б — автоматическая сварка под флюсомРис. 5-43. Характер разрушения однослойного углового шва а — сварка вручную покрытыми электродами, б — автоматическая сварка под флюсомванных способах сварки позволяет уменьшить сечение внешней части шва, что дает значительный экономический эффект. Данные о размерах внешних катетов швов, при которых обеспечивается равнопрочность однослойных угловых швов, выполненных различными способами дуговой сварки на типичных для них режимах, приведены на рис. 5-44. Швы сваривают в положении в «лодочку» или в угол (рис. 5-45, а—в).
Рис. 5-43. Характер разрушения однослойного углового шва а — сварка вручную покрытыми электродами, б — автоматическая сварка под флюсом
Рис. 5-43. Характер разрушения однослойного углового шва а — сварка вручную покрытыми электродами, б — автоматическая сварка под флюсом
При сварке угловых швов трудно обеспечить поджатие флюсо- медной, асбестовой или другой подкладки к основанию шва. Сварку, как правило, несмотря на принципиальную возможность применения подкладок, ведут «на весу». Поэтому зазор между деталями при сварке в положении в «лодочку», вручную покрытыми электродами и полуавтоматом под флюсом и в защитном газе не должен превышать 2 мм, а при автоматической сварке под флюсом 1,5 мм. При сварке шва в угол зазор не должен превышать
3 мм. Места с увеличенным зазором обычно подваривают беглым швом вручную или же механизированным способом со стороны, обратной наложению первого шва Подварочный слой переваривают при наложении основного шва
При автоматической сварке нахлесточного соединения при толщине верхнего листа до 8 мм возможна сварка Рис. 5-44. Зависимость между расчетным параметром h и катетом шва к
— сварка вручную покрытыми элект родами,
— почуавтоматическая сварка под флюсом н в углекислом газе про- попокой сплошного сечеиия,
к, мм Ю 13 1г и ю 9 8 7 6 5 к 3к, мм Ю 13 1г и ю 9 8 7 6 5 к 3г 3 if S 8 7 8 9 Юк,ммг 3 if S 8 7 8 9 Юк,мм^ автоматическая сварка под флюсом
к, мм Ю 13 1г и ю 9 8 7 6 5 к 3
к, мм Ю 13 1г и ю 9 8 7 6 5 к 3
г 3 if S 8 7 8 9 Юк,мм
г 3 if S 8 7 8 9 Юк,мм
Рис. 5-45. Различные методы сварки угловых швов: а — в симметричную «лодочку.»; б — в несимметричную «лодочку», в — в угол;г — с оплавлением кромки
углового шва вертикальным электродом с оплавлением кромки (рис. 5-45, г). При механизированной сварке прерывистые швы заменяют, как правило, сплошными швами меньшего сечения.
При двусторонней автоматической сварке под флюсом угловых швов тавровых соединений за счет выбора режима можно обеспечить полный провар стенки без разделки кромок при толщине ее до 14 мм при однодуговой сварке и до 18 мм при многодуговой сварке (см. рис. 5-39, а). При большей толщине стенки и выполнении шва в один слой необходимо прибегать к разделке кромок или установлению обязательного зазора. Эти меры позволяют увеличить толщину провариваемого листа до 17 и 21 мм соответственно.
При полуавтоматической сварке под флюсом и в углекислом газе проволокой сплошного сечения можно достичь полного провара при толщине металла до 8 мм без разделки кромок и до 11 мм при разделке кромок или обязательном зазоре. Получение гарантированного провара стенки в производственных условиях —• весьма сложная задача. Для направления участка максимального провара по месту сопряжения деталей рекомендуется сдвигать ось электрода на стенку или выполнять сварку в положении несимметричной лодочки (см. рис. 5-45, б). Для повышения производительности следует увеличивать провар основного металла, количество вводимого в шов за единицу времени дополнительного металла и учитывать реальные механические свойства однослойных угловых швов, которые при сварке обычными сварочными проволоками значительно превосходят учитываемые при расчете.
Многослойные угловые швы. Многослойные угловые швы в большинстве случаев также выполняют без полного провара одного из элементов. Для многослойных угловых швов, свариваемых вручную и механизированными способами на токах до 250 А, расчетный параметр шва определяют из зависимости h = = 0,7А Для швов, выполняемых механизированной сваркой на токах более 250 А, сечение шва может быть несколько уменьшено
Рис. 5-46. Соотношение катетов при ручной и механизированной сварке:
а — сварка в положении в угол;б — сварка в «лодочку»,
/ — полуавтоматическая сварка под флюсом и в углекислом газе про* волокой сплошного сечения,
2 — автоматическая сварка под флюсом
за счет провара, обеспечиваемого по месту сопряжения соединяемых элементов при наложении первого слоя.
Зависимость между катетами равнопрочных многослойных угловых швов, выполненных на низкоуглеродистых и низколегированных сталях вручную и механизированными способами, приведена на рис. 5-46, а, б. Размеры катетов первого слоя приняты в соответствии с данными, приведенными на стр. 202. Многослойный шов, сваренный вручную, на участке, обозначенном штриховой линией, может быть заменен однослойным швом, выполненным механизированными способами. При электрошла- ковом процессе угловые швы тавровых соединений любого сечения сваривают за один проход с полным (рис. 5-47) или неполным проваром стенки.
Техника сварки многослойных угловых швов при положении в «лодочку» не отличается от сварки стыковых швов. При выполнении швов в угол техника сварки значительно усложняется, так как требуется точное ведение электрода по оси соединения. Отклонение конца электрода в этом случае не должно превышать ±1 мм. Угол наклона электрода поперек шва обычно составляет 20—30° к вертикали. Резкое смещение электрода в сторону вертикального элемента вызывает образование подрезов и наплывов. При смещении электрода в другую сторону наблюдается натек металла па горизонтально расположенный элемент,
Рис. 5-47. Конфигурация углового шва с полным проваром стенки при электро- шлаковом процессе
Для угловых швов число слоев определяют по формуле
FВН ^2£у
Fc ~ Fc 1
где FBH ■— площадь сечения части шва, образованного за счет электродного металла, мм2; Fc — площадь сечения слоя, мм2; ^у—коэффициент, учитывающий увеличение сечения шва за счет зазоров, обычно равный 1,2.
Максимальное значение Fc выбирают по технологическим соображенийм.
В некоторых случаях при сварке тавровых соединений, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, проектом предусмотрен полный провар стенки. Чтобы добиться полного провара стенки (кроме условий, оговоренных ранее), производят разделку кромок и заварку образовавшейся полости в несколько слоев (см. рис. 5-39, б, в).
Односторонняя разделка кромок и наличие выступающей полки затрудняют проплавление вершины соединения и получение благоприятной в отношении стойкости против кристаллизационных трещин формы провара. Поэтому достижение надлежащего и стабильного качества при сварке тавровых и угловых соединений с полным проваром является сложной задачей, требующей весьма тщательного выполнения всех (особенно первого) слоев. При электрошлаковом процессе техника выполнения углового шва с полным проваром стенки сходна с техникой сварки стыкового шва.
Производительность по основному бремени при сварке узловых швов, так же как для стыковых швов, характеризуется временем, затрачиваемым на его выполнение, или скоростью сварки. При однослойной сварке скорость ее равна скорости передвижения источника теплоты. При многослойной сварке скорость определяется по формуле (5-1). Повышения производительности при сварке однослойных угловых швов можно достичь путем уменьшения внешней части шва за счет увеличения глубины проплавления по месту сопряжений полки и стенки (величина s на рис. 5-41), увеличения количества вводимого в шов за единицу времени дополнительного металла и учета реальной прочности металла шва, которые, как показывают статистические данные, значительно превышают расчетные. Пути повышения производительности при сварке угловых многослойных швов те же, что и при стыковых многослойных швах (см. рис. 5-10).
Прорезные швы. При сварке прорезных швов должно быть обеспечено плотное прижатие листов друг к другу. Если зазор превышает 1,0—1,5 мм, возможны прожог верхнего листа и вытекание сварочной ванны в зазор между соединяемыми элементами. Выполнение прорезных швов возможно при автоматической сварке под флюсом при толщине верхнего листа не более 12 мм. Сложность сборки под сварку (необходимость обеспечить малый зазор между листами) и трудности контроля качества и исправления дефектных участков приводят к тому, что прорезные швы находят весьма ограниченное применение Хорошие результаты получают при выполнении прорезных швов электроннолучевым процессом.
Электрозаклепки. При сварке электрозаклепками нахлесточного соединения зазор между сопрягаемыми листами нс должен превышать 1 мм. Диаметр отверстия в верхнем листе должен не менее чем на 4—5 мм превышать диаметр сварочной проволоки. Возможна сварка электрозаклепками без образования отверстия в верхнем листе. Диаметр электрозаклепки обычно принимают равным двум-четырем толщинам свариваемого металла. Сварку электрозаклепок производят с подачей проволоки или без нее. Во втором случае дуга горит до естественного обрыва. При сварке тонколистовых конструкций применяют точечные угловые швы, состоящие из отдельных, расположенных друг от друга на определенных расстояниях точек. Сварку таких швов выполняют полуавтоматом под флюсом или в углекислом газе. Держатель перемещают от точки к точке без обрыва дуги.
§ 5-6. Влияние режима сварки иа форму и состав шва
Размеры и конфигурация шва или слоя (при многослойной сварке) определяются рядом величин (см. рис. 5-22 и 5-41). Размеры и форма шва в значительной степени предопределяют
207
Рис. 5-48. Форма шва (слоя) при сварке углового шва и первого слоя многослойного шва при угле разделки 90°
стойкость его против возникновения кристаллизационных трещин, плавность перехода от основного металла к металлу шва и вероятность образования подрезов, непроваров, наплывов и других дефектов, а также экономичность процесса.
Установлено, что размеры шва и форма провара не зависят от типа шва. Например, форма и размеры углового шва таврового соединения, свариваемого в «лодочку», практически полностью совпадают с формой и размером первого слоя многослойного стыкового шва с углом раскрытия кромок 90° (рис. 5-48). Форма валика, наплавляемого на пластину, практически идентична форме первого слоя стыкового шва при рюмкообразной подготовке кромок (рис. 5-49) и т. п.
Рассмотрим условия формирования шва при дуговой сварке. Форма шва для этого случая зависит от режима, способа сварки и положения шва в пространстве. Под понятием режим сварки подразумевают совокупность факторов, определяющих условия протекания процесса сварки. Сами факторы называют элементами (составляющими, параметрами) режима сварки. К основным элементам режима дуговой сварки обычно относят величину, род и полярность тока, диаметр (или сечение) электрода, напряжение дуги, скорость перемещения дуги, вид защиты.
При автоматической сварке под флюсом с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки часто вместо величины тока оперируют скоростью подачи сварочной проволоки, определяющей в этих условиях величину тока. Чем выше скорость подачи, тем больше должна быть сила тока для того, чтобы обеспечить расплавление подаваемой в зону сварки проволоки. Из приведенных на рис. 5-50 данных видно, что коэффициент наплавки увеличивается с увеличением плотности тока в электроде и падает с увеличением напряжения дуги.
При ручной дуговой сварке важным элементом режима является величина поперечного перемещения конца электрода.
Рис. 5-49. Форма валика и первого слоя многослойного шва при рюмкообразной подготовке кромокРис. 5-49. Форма валика и первого слоя многослойного шва при рюмкообразной подготовке кромок
Рис. 5-49. Форма валика и первого слоя многослойного шва при рюмкообразной подготовке кромок
Рис. 5-49. Форма валика и первого слоя многослойного шва при рюмкообразной подготовке кромок
Рис. 5-51. Зависимость между величиной тока и глубиной провара при напряжении дуги./ — низком;2 — среднем;3 — высокомРис. 5-51. Зависимость между величиной тока и глубиной провара при напряжении дуги./ — низком;2 — среднем;3 — высоком
Рис. 5-51. Зависимость между величиной тока и глубиной провара при напряжении дуги.
/ — низком;2 — среднем;
3 — высоком
Рис. 5-51. Зависимость между величиной тока и глубиной провара при напряжении дуги.
/ — низком;2 — среднем;
3 — высоком
Рис. 5-50. Зависимость между величиной тока и скоростью подачи сварочной проволоки Св-08, сварка под флюсом АН-348-А, вылет проволоки 50 мм: а — проволока диаметром 4 мм, б — то же 5 мм, в — то же б мм, 1 — напряжение дуги 30 — 32 В, 2 — то же 40 — 42 В, 3 — то же 50 — 52 В
Существенное влияние на формирование шва оказывают вылет электрода, положение электрода или сварочной проволоки в пространстве (вертикальное, наклонное) и положение изделия при сварке.
Рассмотрим влияние различных факторов на размеры и форму шва при дуговой сварке одним электродом. Сварка двумя и более электродами, сварка электродной лентой или пластиной, сварка с глубоким проваром и другие специальные приемы имеют свои особенности. Однако общая закономерность влияния, оказываемого элементами режима и условиями сварки на размеры и форму шва, остается той же, что и при сварке одним электродом.
При рассмотрении влияния одного из элементов режима все остальные элементы принимают постоянными.
Все установленные закономерности относятся к случаю, когда глубина провара не превышает 0,7—0,8 толщины основного металла. Если глубина провара превышает 0,7—0,8 толщины основного металла, резко изменяются условия теплоотвода от нижней части сварочной ванны, что приводит к скачкообразному нарастанию провара вплоть до сплошного проплавления свариваемого металла и к заметному изменению конфигурации и размеров шва.
Величина, род и полярность тока. Изменение величины тока связано с глубиной провара прямой зависимостью. С ростом силы
14 Заказ № 782 2 09
тока глубина провара увеличивается, с уменьшением — уменьшается (рис 5-51) Такое влияние тока на глубину провара обусловлено изменением давления, оказываемого столбом дуги на поверхность сварочной ванны, и увеличением или уменьшением погонной энергии сварки. Глубина провара К связана с величиной тока практически линейной зависимостью
^ == ^п^св>
где кп—коэффициент пропорциональности, мм/А; 1СВ—сила тока, А
Значение коэффициента пропорциональности зависит от рода тока, диаметра электрода, скорости сварки и определяется опытным путем. Существенное влияние на величину коэффициента пропорциональности оказывает плотность основного металла. С увеличением плотности металла значение кп падает и, следовательно, для обеспечения той же глубины провара необходимо увеличить силу тока. С уменьшением плотности металла наблюдается обратная зависимость. Этим явлением обусловлен общеизвестный факт увеличения глубины провара при сварке алюминия по сравнению со сваркой стали при той же силе тока. Путем изменения величины тока в большинстве случаев изменяют в желаемом направлении глубину провара основного металла. На ширину шва изменение величины тока оказывает незначительное влияние, которое при решении практических вопросов можно не учитывать.
Род и полярность тока также сказываются на глубине и ширине провара. При сварке постоянным током обратной полярности глубина провара примерно на 40—50% больше, чем при сварке постоянным током прямой полярности При сварке переменным током глубина провара на 15—20% ниже, чем при сварке постоянным током обратной полярности. В этом случае полярность тока изменяется 100 раз в секунду, что приводит к уменьшению выделения теплоты на основном металле за тот период, когда он является анодом. При сварке постоянным током при прямой полярности ширина шва уменьшается по сравнению со сваркой постоянным током обратной полярности и, следовательно, по сравнению со сваркой переменным током. Наиболее существенно снижение ширины шва в зависимости от полярности тока проявляется при повышенном напряжении дуги и поэтому имеет практическое значение только при сварке под флюсом.
Уменьшение диаметра электрода при том же токе приводит к снижению подвижности столба дуги и, как следствие, к увеличению глубины провара. Особенно четко влияние диаметра электрода на глубину провара сказывается при сварке на небольших токах При возрастании силы тока влияние диаметра электрода несколько сглаживается. Ширина шва растет с увеличением диаметра электрода, что вызвано повышением подвижности столба дуги.
Рис. 5-52.Изменение ширины шва в зависимости от напряжения дуги (ток переменный)а — 30 — 32 В,б — 40 — 42 В, в _ 50 — 52 ВРис. 5-52.Изменение ширины шва в зависимости от напряжения дуги (ток переменный)а — 30 — 32 В,б — 40 — 42 В, в _ 50 — 52 В
Рис. 5-52.
Изменение ширины шва в зависимости от напряжения дуги (ток переменный)
а — 30 — 32 В,
б — 40 — 42 В, в _ 50 — 52 В
Рис. 5-52.
Изменение ширины шва в зависимости от напряжения дуги (ток переменный)
а — 30 — 32 В,
б — 40 — 42 В, в _ 50 — 52 В
Из приведенных данных следует, что заданная глубина провара может быть достигнута при уменьшении диаметра электрода при более низкой силе тока. Однако применение электрода малого диаметра приводит к уменьшению коэффициента формы шва, затруднению точного направления электрода по шву (при механизированных способах сварки) и ухудшению формы усиления.
Напряжение дуги. При дуговом процессе напряжение дуги мало влияет на глубину провара Ширина шва связана с напряжением прямой зависимостью. С увеличением напряжения дуги в практически применяемых пределах ширина шва увеличивается. Для иллюстрации этого положения на рис. 5-52, а, б, в приведены зависимости между шириной шва и напряжением дуги при сварке под флюсом Из всех элементов режима напряжение дуги оказывает наибольшее влияние на ширину шва и является элементом режима, за счет которого при механизированных способах сварки изменяют ширину шва в желаемом направлении.
При сварке вручную покрытыми электродами напряжение дуги изменяется в узких пределах (18—22 В) и поэтому не является элементом режима, за счет которого можно изменять ширину шва в нужном направлении. При ручной сварке ширина шва изменяется путем поперечного перемещения (колебания) конца электрода.
Скорость сварки. Влияние скорости сварки на глубину погружения дуги носит сложный характер. При малых скоростях (порядка 10—12 м/ч при сварке под флюсом и 1,0—1,5 м/ч при ручной дуговой сварке) глубина провара минимальна. Это обусловлено уменьшением интенсивности вытеснения сварочной ванны из-под основания дуги при характерном для этих случаев вертикальном ее расположении. У основания дуги образуется слой жидкого металла, который препятствует проплавлению основного металла.
Повышение скорости сварки до некоторого значения, зависящего от конкретных условий, приводит к увеличению глубины провара Так, при сварке под флюсом увеличение скорости сварки от 10 до 25 м/ч приводит к увеличению глубины провара. Дальнейшее увеличение скорости сварки вызывает снижение глубины провара за счет уменьшения погонной энергии (рис. 5-53).
Ширина шва связана со скоростью сварки обратной зависимостью Увеличение скорости сварки приводит к уменьшению ширины шва, что обусловлено уменьшением подвижности дуги
14* 211
При увеличении вылетаПри увеличении вылета
При увеличении вылета
При увеличении вылета
Рис. 5-53 Изменение глубины и ширины провара в зависимости от скорости сварки
при повышении скорости ее передвижения Указанная закономерность сохраняется при всех значениях скорости сварки (рис 5-53) Изменение скорости сварки является весьма эффективным средством изменения ширины шва при всех способах дуговой сварки.
Поперечное перемещение конца электрода позволяет значительно изменять ширину шва и глубину провара Этот метод широко применяется при ручной сварке При увеличении амплитуды перемещения конца электрода снижается глубина провара и значительно увеличивается ширина шва, что связано с уменьшением концентрации источника нагрева При механизированных способах сварки поперечное перемещение электрода также приводит к изменению ширины шва и глубины проплавления. Аналогичные изменения формы шва наблюдаются при сварке сдвоенным электродом и электродной лентой
электрода возрастает интенсивность
его плавления, в результате чего снижается сила тока, а следовательно, и глубина провара. При сварке электродной проволокой диаметром 3 мм и выше изменение величины вылета в пределах ± (6—8) мм, часто наблюдаемое на практике, не оказывает заметного влияния на формирование шва При сварке проволокой диаметром 0,8—2 мм такие колебания вылета электрода могут привести к некоторому изменению конфигурации шва.
Химический состав и строение флюса. Чем меньше объемная масса флюса, тем больше объем полости, образующейся вокруг столба дуги, и тем большей подвижностью обладает дуга При этом ширина шва увеличивается, а глубина провара уменьшается. Однако изменения глубины и ширины провара при применении флюсов стандартных марок столь невелики, что не требуют существенных изменений режима сварки и легко нивелируются за счет небольшой корректировки напряжения дуги.
Увеличение толщины электродного покрытия и введение в его состав тугоплавких веществ, способствующих образованию на конце электрода козырька, снижают подвижность столба дуги и, как следствие, уменьшают ширину шва и увеличивают глубину провара Глубина и ширина провара при сварке под флюсом АН-348-А и в углекислом газе, при прочих равных условиях, с достаточной для решения практических задач точностью могут быть признаны одинаковыми.
Изменение начальной температуры. В пределах естественных изменений, связанных со сваркой на морозе или с нагревом металла на солнце, начальная температура свариваемого изделия (—60—Н80° С) не оказывает практического влияния на глубину провара и ширину шва Подогрев основного металла до температуры 100—400° С приводит к незначительному увеличению глубины провара и ширины шва Существенные изменения ширины и глубины провара имеют место при температуре предварительного подогрева от 500° С и выше, причем ширина провара увеличивается более интенсивно, чем его глубина С предварительным подогревом связано увеличение ширины последних слоев при сварке многослойных швов и при наплавке
Положение электрода в пространстве. На практике сварку ведут вертикальным электродом и с наклоном электрода вдоль шва углом вперед или назад по отношению к направлению сварки (рис 5-54, а, б, в) При сварке углом назад происходит более интенсивное, чем при сварке вертикальным электродом, вытеснение металла сварочной ванны из-под основания столба дуги, что приводит к некоторому увеличению глубины провара и уменьшению ширины шва. Сварка с наклоном электрода углом назад находит практическое применение главным образом при сварке электродами для глубокого провара
а)а)При сварке с наклоном электрода углом вперед столб дуги стремится занять положение, совпадающее с осью электрода При этом столб дуги большей своей частью располагается над поверхностью основного металла. Давление столба на поверхность сварочной ванны уменьшается, что приводит к заметному уменьшению глубины провара и увеличению ширины шва по сравнению со сваркой вертикальным электродом. Сварка электродом с наклоном углом вперед применяется для повышения
а)
а)
Рис 5-54.
Положение электрода при сварке
а — вертикальное
б — углом вперед
в — углом назад Направ ление сварки указано стрелкой
скорости сварки при одно- и многодуговой автоматической сварке под флюсом.
Наклон изделия относительно горизонтальной плоскости. При сварке сверху вниз (на спуск) разность уровней расплавленного металла в головной и задней частях плавильного пространства уменьшается, несмотря на неизменное давление, оказываемое столбом дуги. Это приводит к увеличению толщины слоя жидкого металла, расположенного под основанием дуги, и к уменьшению глубины провара. Блуждание дуги по поверхности сварочной ванны при этом усиливается, что приводит к увеличению ширины шва. Поэтому при сварке на спуск уменьшается глубина провара и увеличивается ширина шва.
При сварке снизу вверх (на подъем) разница уровней расплавленного металла в головной и задней частях плавильного пространства увеличивается, а толщина слоя жидкого металла под основанием столба дуги уменьшается. При этом происходит более глубокое проплавление основного металла, т. е. глубина провара несколько увеличивается. Ширина шва при уменьшении блуждания столба дуги заметно уменьшается.
Нормальное, характерное для сварки в нижнем положении формирование шва достигается при механизированной сварке для угла наклона не более 3—4° и при ручной сварке покрытыми электродами не более 8—10°. При больших углах наклона нарушается нормальное формирование шва из-за подтекания жидкого металла под основание дуги при сварке на спуск и из-за непроваров и подрезов по кромкам при сварке на подъем.
Изменение формы шва путем сварки на спуск или на подъем мало применяется из-за сложности установки изделия под сварку и небольшой эффективности. Практическое применение сварка на спуск находит при выполнении круговых швов труб и сосудов малого диаметра. В этом случае электрод смещается от зенита с таким расчетом, чтобы сварка велась на спуск. При этом уменьшается опасность прожогов, улучшается формирование шва и предотвращается возможность стекания жидкого металла сварочной ванны. Сварку на подъем применяют для увеличения глубины проплавления при ручной сварке с глубоким проваром.
При дуговой сварке и наплавке значение коэффициента формы шва может изменяться от 0,8 до 20. Все изменения элементов режима, вызывающие уменьшение ширины шва и увеличение глубины провара, вызывают уменьшение, а все изменения элементов режима, увеличивающие ширину шва и уменьшающие глубину провара,— увеличение коэффициента формы шва.
Увеличение силы тока приводит к резкому возрастанию глубины провара и практически не отражается на ширине шва, а следовательно, приводит к снижению коэффициента формы шва. Увеличение скорости сварки уменьшает ширину шва и существенно не влияет на глубину провара. Следовательно, увеличение скорости сварки приводит к уменьшению коэффициента формы
214
шва, а уменьшение скорости сварки — к повышению его значения. Увеличение напряжения дуги приводит к заметному увеличению ширины провара, к незначительному изменению глубины провара и, как следствие, к увеличению коэффициента формы шва. Уменьшение диаметра электрода или сварочной проволоки приводит к возрастанию глубины провара и уменьшению ширины шва, а следовательно, к довольно резкому уменьшению коэффициента формы шва. Наклон электрода углом вперед увеличивает коэффициент формы шва вследствие увеличения ширины шва и уменьшения глубины проплавления.
На значение коэффициента формы шва оказывают влияние и другие элементы сварочного режима, однако они сказываются в значительно меньшей степени, чем перечисленные выше.
При сварке стыковых однослойных швов, всех слоев многослойного шва, кроме первого и второго, и при наплавочных работах коэффициент формы шва можно изменять в желаемых пределах (рис. 5-55, а, б). При сварке угловых однослойных швов и первого слоя многослойных угловых или стыковых швов коэффициент формы шва или слоя, при котором обеспечивается удовлетворительное формирование, определяется геометрией соединения и может изменяться в весьма узких пределах (рис. 5-55, в, а). Увеличение его значения выше определенной величины приводит в этих условиях к подрезу кромок или к непровару притупления.
Коэффициент формы шва при сварке угловых швов и первого слоя многослойного шва должен находиться в пределах 1,4—2,3. Ограниченные возможности увеличения коэффициента формы шва в значительной степени определяют трудность обеспечения стойкости металла этих швов против кристаллизационных трещин, особенно при сварке основного металла с повышенным содержанием углерода.
Рис. 5-55. Изменение формы провара для швов различного типа:
а — стыковой однослойный шов и все слои многослойного стыкового шва, кроме первого и второго;
б — валики при наплавке,
в — первый слой многослойных стыковых швов;
г — угловой однослойный шов и первый слой углового многослойного шва
Нормальная форма поверхности шва обеспечивается при коэффициенте формы усиления более 5. При меньшем значении этого коэффициента не достигается плавности перехода от металла шва к основному металлу. Все изменения режима, уменьшающие ширину шва и увеличивающие количество вводимого в шов электродного металла (это прежде всего увеличение силы тока, уменьшение диаметра электрода и напряжения дуги), приводят к уменьшению коэффициента формы усиления (табл. 5-3).
Влияние режима на размеры и форму шва при электрошлаковой сварке. Размеры и форма металлической ванны при электрошлаковой сварке характеризуются шириной шва Ь, глубиной металлической ванны h и отношением ширины шва и глубины металлической ванны, так называемым коэффициентом формы металлической ванны ф = -^- (рис. 5-56). В зависимости от режима сварки ширина шва и глубина металлической ванны, а следовательно, и коэффициент формы могут несколько изменяться по длине сварочной ванны. Однако при правильном выборе режима сварки ширина шва изменяется мало. Глубина металлической ванны может претерпевать более значительные изменения, но, как правило, достигает максимума посредине (по толщине металла). В дальнейшем изложении под шириной шва, глубиной металлической ванны и ее коэффициентом формы мы будем принимать значения этих величин по середине шва.
Форма и размеры металлической ванны оказывают существенное влияние на качество сварного соединения и определяются режимом сварки. Режим электрошлаковой сварки характеризуется величиной тока (или скоростью подачи электрода), напряжением сварки, скоростью сварки и толщиной металла, приходящейся на электрод (частное от деления толщины свариваемого металла на число электродов). На процессе формирования могут сказаться величина зазора, состав флюса, глубина шлаковой ванны, скорость поперечного перемещения электрода, вылет и диаметр сварочной проволоки. Обычно эти параметры режима изменяются мало.
При сварке электродной проволокой глубина шлаковой ванны в зависимости от силы тока составляет 25—70 мм, скорость поперечного перемещения 30—40 м/ч, сухой вылет электрода 60—70 мм и диаметр электрода 4—2 мм. Такие колебания не приводят к изменениям условий формирования шва. Более значительные отклонения указанных параметров, вызванные нарушением режима сварки, могут привести к изменению формы и размеров шва.
При электрошлаковой сварке одной электродной проволокой глубина металлической ванны и ширина шва зависят от всех элементов режима. Наибольшее влияние на этот параметр оказывает величина тока. С увеличением силы тока глубина металлической ванны увеличивается. Это, вероятно, обусловлено изменением погонной энергии сварки. Ток является тем элементом
216
Параметр
Изменение параметра при увеличении
силы тока
диаметра электрода
Ид, В
Усв. м/ч
24-34
36—46
до 17
17—40
свыше 40
Глубина провара
Интенсивно увеличивается
Уменьшается
Незначительно увеличивается
Незначительно уменьшается
Несколько увеличивается
Практически не изменяется
Уменьшается
Ширина шва
Незначительно увеличивается
Увеличивается
Увеличивается
Интенсивно увеличивается
Уменьшается
Высота усиления
Интенсивно увеличивается
Уменьшается
Уменьшается
Незначительно увеличивается
Коэффициент формы шва
Интенсивно уменьшается
Увеличивается
Интенсивно увеличивается
Незначительно уменьшается
Коэффициент формы усиления
То же
»
Увеличивается
Уменьшается
Доля основного металла в металле шва (для однослойных швов)
Интенсивно увеличивается
Уменьшается
Незначительно
увеличивается
Интенсивно увеличивается
to
Примечание. Влияние отдельных элементов режима сварки на размеры, форму и состав шва оценивали при условии неизменности остальных элементов режима
Таблица 5-3
Влияние элементов режима дуговой сварки на размеры, форму и состав шва
Рис 5-56. Основные параметры металлической ванны при электрошлаковой сварке
режима, за счет которого в сварочной практике изменяют в желаемом направлении глубину металлической ванны. На ширину шва величина тока влияет мало.
Увеличение напряжения при электрошлаковой сварке приводит к увеличению глубины металлической ванны в связи с повышением погонной энер
гии. С ростом напряжения в применяемых пределах ширина шва также увеличивается. На практике ширину шва изменяют в желаемом направлении путем изменения
напряжения сварки.
При электрошлаковой сварке шов формируется в основном из дополнительного металла. Для заполнения зазора между свариваемыми кромками необходимо ввести строго определенное количество дополнительного металла. Поэтому увеличение скорости сварки достигается за счет повышения силы тока (скорости подачи сварочной проволоки) или увеличения числа электродов и всегда приводит к увеличению глубины металлической ванны. Изменение ширины шва в зависимости от скорости подачи сварочной проволоки (следовательно, и скорости сварки) имеет более сложный характер. Увеличение скорости сварки сначала приводит к увеличению ширины шва, а затем к снижению ее.
Увеличение толщины свариваемого металла, приходящейся на один электрод, приводит к уменьшению ширины шва и глубины металлической ванны, что связано с изменением погонной энергии.
Электропроводность флюса заметно влияет на глубину металлической ванны и ширину шва. Снижение электропроводности флюса, при прочих равных условиях, приводит к росту глубины металлической ванны и ширины шва в результате увеличения теплоты, выделяемой в ванне.
Коэффициент формы металлической ванны находится в обратной зависимости от величины тока и скорости сварки и в прямой зависимости от напряжения на электродах и толщины металла, приходящейся на электрод Общие данные о характере влияния элементов режима сварки на размеры и форму шва при электрошлаковой сварке приведены в табл 5-4
Сварка двумя и более сварочными проволоками и электродной пластиной имеет свои особенности Однако общие закономерности остаются теми же, что при сварке одной сварочной проволокой. Для повышения производительности электрошлаковой сварки процесс стремятся вести при минимальном зазоре между свариваемыми кромками. В металлическую ванну вводят дополнительный металл (порошок, крупку и др.) и увеличивают коэффициент наплавки.
Таблица 5-4
Влияние элементов режима электрошлаковой сварки на форму и состав шва
Параметр
Изменение параметра при увеличении
величины тока
толщина
металла
иа электрод
напряжения сварки
скорости поперечного перемещения электродной про волоки
глубины шлаковой ванны
величины сухого вылета электрода
величины зазора
до 400 А
более 400 А
Глубина металлической ванны
Увеличивается
Увеличивается
Уменьшается
Незначительно увеличивается
Не изменяется
Незначительно уменьшается
Уменьшается
Не изменяется
Ширина шва
»
Уменьшается
Незначительно уменьшается
Увеличивается
Уменьшается
Уменьшается
Не изме- няется
Увеличивается
Коэффициент формы металлической ванны
Незначительно уменьшается
То же
Увеличивается
То же
»
То же
Незначительно увеличивается
То же
Доля основного металла в металле шва
Незначительно увеличивается
»
Незначительно уменьшается
»
»
»
Не изменяется
»
Зависимость между режимом сварки и составом шва при дуговой и электрошлаковой сварке. При сварке неплавящимся электродом без присадочного металла шов полностью состоит из расплавленного основного металла. При сварке плавящимся электродом или неплавящимся электродом с присадочным металлом металл шва представляет собой сплав основного и дополнительного (электродного или присадочного) металлов. Состав шва определяется долями участия того и другого металла в металле шва, зависящими от режима сварки, характера подготовки кромок и изменений, происходящих в составе шва при взаимодействии электродного металла и металла сварочной ванны с газами и шлаком. Долю участия основного и дополнительного металлов определяют обычно по поперечному макрошлифу. При дуговой однослойной сварке долю участия дополнительного металла определяют по формуле
^доп^ДОП/к о\ гдоп ср I р >
г Шг О Т г доп
где £доп-—площадь сечения части шва, образовавшейся за счет электродного и присадочного металла; Рш — общая площадь сечения шва; Ро — площадь сечения части шва, образовавшейся за счет расплавления основного металла.
При ручной сварке Рдоп определяется как сумма площадей разделки или зазора и усиления шва. При механизированной сварке с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки РДоп определяют по формуле
р р Г ДОПдоп ПР ’
где Рпр — площадь сечения сварочной проволоки; иэл — скорость подачи сварочной проволоки; осв—скорость сварки.
Общая площадь сечения шва определяется путем замера ее планиметром или подсчета площади фигуры по очертаниям, приближающимся к очертаниям провара.
При дуговой сварке многослойных швов для определения доли дополнительного металла обычно пользуются формулой (5-2), хотя она и не отражает действительного положения, так как в этом случае кроме основного и дополнительного металлов имеется еще и металл нижележащих слоев, который по своему составу отличается и от основного, и от дополнительного металлов.
При электрошлаковой сварке долю электродного металла в металле шва уэл с достаточной для практики точностью определяют по формуле
.. __ ^эл sa _ а
УэЛРшSb Ь ’
где s—толщина основного металла; а—ширина зазора; b — ширина шва.
Долю участия основного металла в меГалДе uifed уо Арй ббёх методах сварки определяют по формуле
То ' ’ ^ Тдоп-
Доля участия основного металла при используемых режимах сварки плавящимся электродом составляет 15—80%. Меньшая цифра относится к вибродуговой наплавке, а большая — к сварке на больших скоростях под флюсом. Доля участия основного и электродного металлов в металле однопроходного шва зависит от элементов режима сварки.
При дуговой сварке повышение силы тока приводит к увеличению количества расплавляемого основного металла и вводимого в шов электродного металла, при этом количество расплавляемого основного металла растет более интенсивно, что приводит к увеличению доли основного металла в металле шва. При элек- трошлаковой сварке повышение силы тока всегда сопровождается увеличением скорости сварки, что приводит к уменьшению ширины провара и снижению доли основного металла в металле шва.
Увеличение напряжения дуги и напряжения сварки приводит к незначительному уменьшению количества вводимого в шов электродного металла (за счет снижения коэффициента наплавки) и к увеличению количества расплавляемого основного металла. Следовательно, увеличение напряжения приводит к повышению, а уменьшение — к снижению доли основного металла в металле шва.
Увеличение скорости при дуговой сварке приводит к уменьшению количества вводимого в шов электродного и расплавляемого основного металлов. Количество электродного металла снижается более интенсивно, чем количество расплавляемого основного металла, поэтому доля основного металла в металле шва с увеличением скорости сварки увеличивается. При электрошла- ковой сварке наблюдается обратная зависимость.
Увеличение диаметра электрода приводит к снижению доли основного металла в металле шва.
Состав сварочной проволоки оказывает существенное влияние на величину коэффициента плавления электрода. Так, высоколегированная проволока обладает более высоким коэффициентом плавления, чем низкоуглеродистая. Низкоуглеродистая проволока, содержащая кремний, имеет несколько более высокий коэффициент плавления, чем такая же проволока без кремния. Увеличение коэффициента плавления проволоки приводит к некоторому возрастанию доли электродного металла в металле шва.
Тип шва и характер подготовки кромок оказывают существенное влияние на долю участия основного металла в металле шва. Характер этого влияния ясен из схемы, приведенной на рис. 5-23. При наплавке валика или сварке стыкового шва без разделки кромок электродный металл используется только для создания усиления. Наличие обязательного зазора или разделки кромок
221
при сварке сть1ковых или угловых швов Приводит к тому, что электродный металл расходуется на образование расчетного сечения шва и располагается на месте удаленного в процессе разделки кромок основного металла. В результате доля основного металла в металле шва снижается.
При сварке постоянным током прямой полярности несколько уменьшается глубина провара основного металла и увеличивается коэффициент плавления электродного металла. Это приводит к заметному снижению доли основного металла в металле углового шва и в наплавке по сравнению со сваркой переменным током или постоянным током обратной полярности.
Во многих случаях приобретает первостепенный интерес уменьшение доли основного металла в металле шва. Это важно при сварке основного металла, содержащего повышенные количества элементов, снижающих стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и ухудшающих другие свойства металла шва (стойкость против перехода в хрупкое состояние, коррозионную стойкость). Особенно это относится к сварке под флюсом, где доля основного металла в металле шва при типичных режимах достигает 70%. Для снижения доли основного металла в металле шва кроме изменения в желаемом направлении перечисленных выше элементов режима прибегают также к многослойной сварке (вместо однослойной), сварке двумя дугами, сварке по присадочной проволоке, сварке с наполнителями и другим технологическим приемам.
Выбор режима сварки. Элементы режима сварки оказывают существенное влияние на форму и состав шва, и путем изменения( их значения можно достичь желаемого результата при различном их сочетании. Основная задача, возникающая перед технологом при выборе режима сварки, сводится к определению такого сочетания элементов режима, при котором обеспечивается требуемое качество сварного соединения при максимальной производительности и минимальной стоимости процесса.
Для данного способа сварки, марки основного металла и типа шва существует оптимальный режим, который в зависимости от конкретных условий может изменяться только в узких пределах. При разработке технологии оптимальный режим подбирают экспериментальным путем или путем расчета на основе приведенных выше уравнений распространения теплоты при сварке. Если из-за отсутствия источников питания необходимой мощности, плохой подготовки под сварку, отсутствия электродов нужного диаметра и других технических причин нельзя применить оптимальный режим сварки, то приемлемый для данных условий режим выбирают опытным путем.
Дефекты сварных соединений
§6-1. Типичные дефекты и их классификация
Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надежность и экономичность конструкций. Наличие в сварных соединениях дефектов — отклонений от заданных свойств, формы и сплошности шва, свойств и сплошности околошовной зоны может привести к нарушению герметичности, прочности и других эксплуатационных характеристик изделия, а при некоторых обстоятельствах вызвать аварию его в процессе изготовления, монтажа или работы. В реальных условиях производства дефекты возникают достаточно часто. Количество их ■— объективный показатель рациональности принятого технологического процесса, пригодности и кондиции используемых сварочных материалов и основного металла, квалификации кадров, наличия необходимого комфорта для работы сварщиков, оптимальности и технического состояния оборудования и оснастки и общей культуры производства, характерной для данного предприятия.
Работы по контролю качества изделия, выявлению и устранению дефектов трудоемки и существенно влияют на стоимость продукции. Снижение вероятности образования дефектов даже за счет увеличения затрат на вспомогательные и основные технологические операции экономически целесообразно. Методы контроля качества сварных соединений весьма разнообразны (см. гл. 14). Задача контроля качества все более сводится к предупреждению возникновения, а не к обнаружению уже имеющихся дефектов.
Дефекты, появляющиеся в сварных соединениях, различаются по месту расположения (наружные и внутренние) и причинам возникновения. В зависи-
223
мости от причин возникновения их можно разделить на две группы. К первой группе относятся дефекты, связанные с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими в процессе образования, формирования и кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного соединения. Это кристаллизационные и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне, поры, шлаковые каналы, флокены, зона не- силавления, утяжины, отклонения от необходимых прочностных и пластических свойств металла шва и сварного соединения, а также неблагоприятные изменения свойств металла околошовной зоны.
Ко второй группе дефектов, которую назовем дефектами формирования швов, относятся непровары, подрезы, наплывы, прожоги, кратеры, несимметричность расположения угловых швов, уменьшение размеров швов и др. Возникновение подобных дефектов обычно обусловлено неправильным технологическим процессом, нарушением режима сварки, неисправностью оборудования, низкой квалификацией рабочих, плохой подготовкой и сборкой под сварку элементов конструкции, неточным расположением конца электрода по отношению к свариваемым кромкам, недоступностью места сварки и возникающим из-за этого неудобством выполнения сварочных манипуляций, а также другими причинами, связанными с культурой производства.
В процессе изготовления сварных конструкций наблюдаются изменение формы отдельных элементов или всей конструкции и отступления от предусмотренных проектом размеров. Эти отклонения, являющиеся также дефектами, вызваны деформацией (короблением) изделия и усадкой швов (см. гл. 4).
§ 6-2. Кристаллизационные трещины в металле шва
Кристаллизационными трещинами называют макроскопические и микроскопическиенесплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации металла шва. Эти трещины могут затем развиваться при остывании металла в твердом состоянии. Характерной особенностью кристаллизационных трещин является межкристаллический вид разрушения. Они тесно связаны с первичной структурой металла шва и расположены вдоль направления роста столбчатых кристаллитов.
В зависимости от ориентации по отношению к оси шва кристаллизационные трещины бывают продольными и поперечными (рис. 6-1, а, б). Продольные трещины могут располагаться по оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между соседними кристаллитами, поперечные трещины — между соседними кристаллитами. Иногда наблюдаются дефекты, являющиеся комбинацией продольных и поперечных трещин (рис. 6-1, в).
Рис. 6-1. Кристаллизационные трещины в металле шваРис. 6-1. Кристаллизационные трещины в металле шваа — продольная,а — продольная,б — поперечнаяб — поперечнаяв — продольная н поперечныев — продольная н поперечные
Рис. 6-1. Кристаллизационные трещины в металле шва
Рис. 6-1. Кристаллизационные трещины в металле шва
а — продольная,
а — продольная,
б — поперечная
б — поперечная
в — продольная н поперечные
в — продольная н поперечные
При дуговой сварке кристаллизационные трещины выходят (рис. 6-2, а) или не выходят (рис. 6-2, б) на поверхность шва. При электрошлаковой сварке трещины образуются, как правило, в середине сечения шва и не выходят на его поверхность (рис. 6-3, а, б). Поверхности трещин, выходящих наружу шва, обычно окрашены в цвета побежалости, так как покрыты тонкой пленкой окислов (рис. 6-4, а). Поверхность не выходящих наружу трещин имеет серо-белый цвет без металлического блеска (рис. 6-4, бу что обусловлено отсутствием окисляющего действия воздуха на металл.
Трещины, выходящие на поверхность шва, обнаруживаются при внешнем осмотре и с помощью магнитного порошка. Трещины, не выходящие на поверхность шва, обнаруживаются просвечиванием швов рентгеновскими или гамма-лучами, проверкой швов ультразвуком, при разрушении шва по его излому или по макро- и микрошлифам.
Трещины в подавляющем большинстве случаев являются недопустимым дефектом, так как могут послужить причиной (очагом) хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения конструкции или детали в процессе изготовления, а также эксплуатации. Кристаллизационные трещины являются одним из основных видов брака при сварке.
Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан такой схемой. При затвердевании металл шва проходит через так называемый эффективный интервал кристаллизации, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии,
1,5 Заказ № 7§2 225
Рис. 6-2. Расположение кристаллизационной трещины по сечению шва (дуговая сварка):
а — трещина, выходящая на поверхность шва, б — трещина, не выходящая на поверхность шва
Этот интервал начинается с переплетения и срастания дендритов в жесткий каркас и заканчивается полным затвердеванием металла. Твердо-жидкое состояние металла характеризуется повышенной хрупкостью, в связи с чем эффективный интервал кристаллизации называют также температурным интервалом хрупкости- При переходе через нижний предел интервала хрупкости (температура реального солидуса) пластические свойства металла
Рис. 6-3. Расположение кристаллизационных трещин (электрошлаковая сварка)
а — по осн шва.а — по осн шва.б — между ветвями столбчатых кристаллов
а — по осн шва.
а — по осн шва.
226
Рис. 6-4. Кристаллизационные трещины в изломе шва а — трещины, выходящие на поверхность шва, б — трещины, ие выходящие на поверхность шва
резко улучшаются. Величина температурного интервала хрупкости определяется химическим составом металла шва.
Затвердевание металла шва происходит в условиях воздействия растягивающих напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жесткого закрепления деталей и затрудненного сокращения металла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причем интенсивность ее нарастания увеличивается со снижением температуры. Если в период пребывания металла шва в состоянии пониженной пластичности (в температурном интервале хрупкости) величина деформации превысит пластичность металла, произойдет разделение кристаллитов, т. е. образование трещин. Если пластическая деформация, которую претерпевает металл во время пребывания в температурном интервале хрупкости, не превзойдет величины
Ьластичности самого металла, то кристаллизационные трещины не образуются.
Таким образом, стойкость металла шва против кристаллизационных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов. Основными из них являются величина температурного интервала хрупкости (чем шире этот интервал, тем больше вероятность образования трещин), пластичность металла в этом интервале и интенсивность нарастания пластических деформаций по мере снижения температуры металла (темп деформации).
При разработке технологии сварки принимают, что стойкость металла шва против кристаллизационных трещин (технологическая прочность металла шва) зависит от следующих факторов: величины и скорости нарастания действующих в процессе кристаллизации металла шва растягивающих напряжений; химического состава металла шва, определяющего свойства его в период кристаллизации и длительность пребывания в состоянии, характеризуемом пониженной пластичностью, формы сварочной ванны, определяющей направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллитных участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации; величины первичных кристаллитов.
Влияние растягивающих напряжений. В реальных условиях сварки практически невозможно полностью устранить влияние растягивающих напряжений на кристаллизующийся металл сварочной ванны. Поэтому задача сводится к уменьшению величины этих напряжений, к отдалению момента возрастания их до значения, которое может вызвать пластическую деформацию металла шва, приводящую к его разрушению. Это может быть достигнуто путем рационального конструирования узлов и элементов, уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов и других мер.
Уменьшение влияния растягивающих напряжений за счет технологических мер достигается путем предварительного подогрева, рационального порядка наложения швов и выбора способов и режимов сварки, обеспечивающих минимальную величину этих напряжений. Положительное влияние подогрева обусловлено отдалением момента возникновения растягивающих напряжений и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью.
Предварительный подогрев является весьма эффективной мерой повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин при сварке конструкционных и других сталей. Температура предварительного подогрева, при которой не наблюдается образования трещин, зависит от химического состава металла шва, конструкции и сечения деталей, а также других факторов и обычно изменяется в пределах 150—500° С. Для иллю-
Рис. 6-6. Зависимость межДу критическим содержанием углерода в металле шва и температурой подогрева, коэффициент формы провара равен 4 (Е. И. Лейначук) страции сказанного на рис. 6-5 приведена зависимость между значением температуры подогрева и критическим содержанием углерода в металле шва.
При рациональном порядке наложения швов возможна сварка деталей с оптимальным их закреп
лением, что приводит к снижению растягивающих напряжений. На практике достаточно часто, особенно при сварке под флюсом низколегированных и среднелегированных сталей, наблюдается образование трещин в участках шва, непосредственно прилегающих к сборочным прихваткам, и у планок, служащих для вывода начала и конца шва за пределы соединения (рис. 6-6).
При расплавлении сборочной прихватки зазор между свари
ваемыми кромками стремится увеличиться, в результате чего создаются значительные растягивающие напряжения. Эти напряжения и приводят в некоторых случаях к образованию трещин в неуспевшем закристаллизоваться участке шва. Для устранения этого рекомендуется ставить прихватки со стороны, обратной наложению первого слоя (при двусторонней сварке), или уменьшать расстояние между прихватками.
Рис. 6-6. Продольная трещина у выводной планки229Рис. 6-6. Продольная трещина у выводной планки229Образование трещин в начале и конце шва обусловлено тем, что нежесткие выводные пленки не могут удержать концы листов
Рис. 6-6. Продольная трещина у выводной планки
229
Рис. 6-6. Продольная трещина у выводной планки
229
соблении или увеличениесоблении или увеличениеРис. 6-7. Образование трещин в зависимости от содержания серы, марганца и углерода в металле углового шва. Поля диаграммы выше кривых соответствуют наличию, ниже — отсутствию трещин. Коэффициент формы шва равен 1,5
соблении или увеличение
соблении или увеличение
от расхождения. Радикальной мерой предотвращения таких трещин является надежное закрепление концов свариваемых деталей в приспо- жесткости выводных планок.
Влияние химического состава металла шва. Химический состав
металла шва оказывает первостепенное влияние на его стойкость против кристаллизационных трещин. Все элементы, входящие в состав металла шва, условно могут быть отнесены к трем основным группам.
Первая группа — элементы, присутствие которых снижает стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. Такие элементы принято называть вредными. Вторая группа — элементы, которые в зависимости от их сочетания и концентрации оказывают положительное (полезные примеси) или отрицательное (вредные примеси) влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.
Третья группа — элементы, присутствие которых не оказывает влияния на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.
Сера — вредная примесь. Повышение содержания серы в металле шва резко снижает его стойкость против кристаллизационных трещин. Сера практически нерастворима в твердом железе, а поэтому находится в швах на стали в виде неметаллических сульфидных включений. Непосредственной причиной образования кристаллизационных трещин от серы являются легкоплавкие сульфидные прослойки, располагающиеся по границам кристаллитов металла шва. Критическое содержание серы в шве,—■ т. е. ее содержание, выше которого наблюдается образование трещин, зависит от величины растягивающих напряжений, формы шва и его химического состава.
Для швов на углеродистых сталях наибольшее влияние на образование трещин кроме серы оказывают также углерод и марганец. На рис. 6-7 представлена зависимость между критическим содержанием серы и содержанием углерода и марганца в металле шва.
Все остальные факторы, определяющие стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, подразумеваются постоянными. Приведенные данные свидетельствуют о том, что снижение содержания углерода приводит к снижению вредного влия-
ния серы (критическое содержание серы повышается). Марганец в определенных пределах снижает вредное действие серы.
Сера переходит в металл шва из основного и дополнительного (присадочного) металлов и из материалов, входящих в состав электродного покрытия или флюса. Согласно действующим стандартам содержание серы в конструкционных сталях не должно превышать 0,05%, а обычно составляет 0,03—0,04%. Снижение содержания серы в стали в сравнении с этими количествами возможно, но связано с повышением стоимости выплавки стали.
Из экономических соображений целесообразнее снижать содержание серы в сварочных материалах, в частности в сварочной проволоке. ГОСТ 2246—70 ограничивает содержание серы в низкоуглеродистой и легированной сварочной проволоке в пределах 0,04—0,02%. В некоторых марках высоколегированной проволоки это ограничение составляет 0,015%. Жестко ограничено содержание серы в электродных покрытиях и сварочных флюсах. Значительный практический интерес представляет обессеривание сварочной ванны за счет применения специальных флюсов и покрытий, при которых достигается переход серы из металла сварочной ванны в шлак.
Фосфор часто оказывает вредное влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и приводит к резкому снижению ударной вязкости металла, особенно при пониженных температурах. Интенсивность влияния фосфора на образование кристаллизационных трещин пропорциональна содержанию легкоплавких фосфорсодержащих включений на границах кристаллитов металла шва. Возможность образования таких включений тем больше, чем выше концентрация фосфора и ниже его растворимость в твердом металле.
Так как растворимость фосфора в аустените меньше, чем в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин от фосфора значительно больше в аустенитных швах. Наиболее Опасен фосфор для швов с чисто аустенитной структурой. Если же на ранних стадиях кристаллизации металла шва кроме аустенита образуется и феррит, опасность образования трещин значительно уменьшается, так как большая часть фосфора растворяется в металле. Фосфор является потенциальной причиной кристаллизационных трещин и в швах на некоторых среднелегированных сталях.
Влияние фосфора и серы на образование кристаллизационных трещин взаимно усиливается тем, что места ликвации этих элементов в металле шва совпадают. Углерод также усиливает вредное влияниефосфора. При обычных концентрациях фосфор в низкоуглеродистых и низколегированных швах кристаллизационных трещин не вызывает.
Фосфор попадает в металл шва из основного и электродного металлов и из материалов, входящих в состав покрытий и флюсов. В конструкционных углеродистых сталях содержание фосфора
231
допускается не более 0,055%, а в легированных сталях—не более 0,03%. Согласно ГОСТ 2246—70 содержание фосфора в сварочной проволоке не должно превышать 0,04%. В электродное покрытие и флюс фосфор попадает в основном с марганцевой рудой.
У глерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства металла шва, его прочность и поведение при эксплуатации. Вместе с тем углерод оказывает резко отрицательное влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. В швах на углеродистых и низколегированных сталях углерод усиливает вредное действие серы. При сварке высоколегированных сталей углерод способствует образованию по границам кристаллитов легкоплавких пленок карбидного происхождения, что снижает стойкость швов против кристаллизационных трещин. Критическое содержание углерода зависит от конструкции узла, наличия или отсутствия предварительного подогрева, формы шва и содержания в нем других элементов, в первую очередь серы (см. рис. 6-7).
Углерод попадает в металл шва из основного и электродного или присадочного металлов. Чтобы снизить содержание углерода в металле шва, применяют сварочную проволоку и электродные стержни с низким содержанием углерода, уменьшают долю основного металла в шве. За счет взаимодействия металла с газовой и шлаковой фазами может происходить окисление (угар) углерода, что также снижает его содержание в шве.
Так как углерод является наиболее дешевым и недефицитным элементом, повышающим прочность металла шва, задача рациональной технологии сварки должна заключаться в сохранении в металле шва возможно более высокого количества углерода, еще не вызывающего снижения стойкости против трещин.
Кремний способствует образованию кристаллизационных трещин в швах на углеродистых сталях. Однако его вредное действие в этом отношении значительно слабее, чем углерода. В чисто аустенитных хромоникелевых швах кремний более опасен в отношении образования кристаллизационных трещин, чем в швах углеродистой стали. Это обусловлено выделением на границах кристаллитов пленок силицидов и других легкоплавких неметаллических соединений. Появление ферритной составляющей в структуре аустенитных швов повышаш их стойкость против образования трещин.
Кремний переходит в шов из основного и дополнительного металла и за счет восстановления его из электродного покрытия или флюса. Рациональная технология сварки должна обеспечи вать присутствие в шве кремния в количестве, повышающем стойкость его против пор (см. ниже), но не вызывающем снижения стойкости против образования трещин. Растворяясь в феррите, кремний повышает его прочность, что весьма желательно. Оптимальное содержание кремния зависит от способа сварки, типа шва и состава основного металла и при сварке углеродистых ц
низколегированных конструкционных сталей колеблется в пределах 0,15—0,6%.
Никель при небольших концентрациях в металле шва не оказывает влияния на стойкость его против возникновения кристаллизационных трещин. При высоких концентрациях (свыше 1—2%) никель усиливает вредное влияние серы, способствуя этим образованию кристаллизационных трещин. Это влияние никеля обусловлено образованием легкоплавких включений сульфида никеля.
Никель является ценным легирующим элементом. Растворяясь в феррите, он повышает прочность и ударную вязкость металла шва при обычных и пониженных температурах при сохранении высокой пластичности. Однако ввиду сравнительно высокой стоимости никель применяют лишь там, где замена его другим, более дешевым элементом, не дает нужного эффекта. При сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей никель попадает в шов из основного и дополнительного металлов в количествах, не оказывающих отрицательного влияния на стойкость металла шва против образования трещин.
Марганец уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость шва на углеродистых, низколегированных и хромоникелевых аустенитных сталях против образования кристаллизационных трещин. Марганец обладает более высоким, по сравнению с железом, химическим сродством к сере. При достаточно высокой его концентрации в металле шва сера связывается в тугоплавкий сульфид марганца, включения которого менее опасны в отношении возникновения трещин, чем включения сульфида железа.
При высоком содержании марганца в металле шва в присутствии углерода возможно возникновение кристаллизационных трещин, вызванных легкоплавкой карбидной эвтектикой. В связи с этим в зависимости от концентрации марганец оказывает двойственное влияние на стойкость швов против образования кристаллизационных трещин. Так, например, для швов, содержащих 0,10—0,12% С, повышение содержания марганца до 2,5% оказывает положительное влияние на стойкость металла шва против образования трещин. Повышение содержания марганца от 2,5 до 4% не оказывает влияния, а дальнейшее повышение его содержания уменьшает стойкость металла шва против образования трещин. При повышении содержания углерода в металле шва полезное влияние марганца сказывается в более узких пределах концентраций. Так, при содержании 0,13—0,2% С полезное влияние марганца отмечается при содержании его до 1,8%.
Марганец является постоянной составляющей стали; растворяясь в феррите, он повышает его прочность. Марганец поступает в металл шва из основного и дополнительного металлов, а также из материалов, входящих в состав покрытия или флюса.
Хром, подобно марганцу, уменьшает вредное влияние серы, повышая стойкость швов против образования кристаллизацион-
233
пых трещин. Обладая более высоким, чем железо, химическим сродством к сере, хром связывает ее в тугоплавкий сульфид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает прочность металла. При высоком содержании хрома и повышенном содержании углерода возможно образование кристаллизационных трещин по легкоплавким карбидным прослойкам. Хром поступает в металл шва из основного и дополнительного металлов.
Кислород повышает стойкость швов против образования кристаллизационных трещин, вызываемых серой. Вместе с тем повышение содержания кислорода снижает ударную вязкость металла шва на углеродистых и низколегированных конструкционных сталях и уменьшает пластичность аустенитных швов. Кислород может попадать в металл шва из основного и дополнительного металлов, электродного покрытия, флюса, защитного газа или воздуха.
Одним из наиболее широко применяемых технологических методов повышения стойкости шва против образования кристаллизационных трещин является уменьшение в нем содержания вредных и увеличение полезных элементов. Изменения химического состава металла шва в желаемом направлении обычно достигают применением дополнительного металла с низкой концентрацией вредных примесей и содержащего полезные легирующие элементы, уменьшением доли участия основного металла в металле шва, а также выбором типа покрытия или флюса, при металлургическом взаимодействии которых с металлом сварочной ванны происходит очищение его от вредных и легирование полезными элементами.
Долю основного металла в шве уменьшают за счет применения соответствующих методов и режимов сварки (сварки на малых токах, двумя дугами, по присадочной проволоке и т. п.). Наиболее действенный метод предотвращения возникновения трещин в металле шва за счет применения основного металла с низким содержанием вредных элементов не всегда оправдан, так как ведет к повышению стоимости основного металла.
Для конструкций, работающих при повышенных температурах, необходимо стремиться к тому, чтобы металл шва по химическому составу был близок к основному металлу. Следует избегать различного легирования шва и основного металла, могущего привести в результате протекающих при этих температурах процессов диффузии к образованию в сварном соединении зоны с измененными свойствами (например, обезуглероженной зоны). Наличие структурной неоднородности может вызвать резкую концентрацию напряжений и преждевременный выход конструкции из строя.
Влияние формы сварочной ванны. Изменение способа и режима сварки приводит к изменению формы сварочной ванны (формы шва) и, как следствие, к изменению направления роста столбчатых кристаллитов и характера их взаимного срастания. Конфигурация шва характеризуется коэффициентом формы —
234
Рис, 6-8. Направление роста кристаллитов в зависимости от формы провара: а — узкая;б — чашеобразная;в — плоская
отношением ширины шва к глубине проплавления. При узком и глубоком проваре (коэффициент формы шва 0,8—1,2) кристаллиты растут навстречу друг другу и встречаются между собой торцами под углом 180° или близким к нему (рис. 6-8, а). При чашеобразной форме провара (коэффициент формы шва 1,3—5) кристаллиты растут под острым углом друг к другу и встречаются торцами или боковыми гранями (рис. 6-8, б). При широком и неглубоком проваре (коэффициент формы шва более 5) кристаллиты растут параллельно друг другу и, не встречаясь, выходят на поверхность шва (рис. 6-8, в).
Влияние формы шва на стойкость его против образования кристаллизационных трещин наблюдается при дуговой, электро- шлаковой и электроннолучевой сварке. Увеличение коэффициента формы шва до определенного предела (примерно 6) приводит к повышению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Дальнейшее увеличение коэффициента формы шва снова приводит к снижению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Швы с таким большим значением коэффициента формы встречаются главным образом при наплавке, выполняемой электродной лентой, и при сварке последнего прохода многослойного шва.
На рис. 6-9 приведена зависимость между критическим содержанием углерода в металле шва и коэффициентом формы шва для дуговой сварки под флюсом углеродистых конструкционных сталей. Все остальные факторы, оказывающие влияние на стойкость шва против образования трещин, практически постоянны. Содержание кремния в металле шва до 0,4%, содержание серы — до 0,04%. С увеличением коэффициента формы шва до определенного предела критическое содержание углерода возрастает. В зависимости от значения коэффициента формы шва данное содержание углерода может быть выше или ниже критического.
Такая же взаимосвязь существует между коэффициентом формы шва и критическим содержанием других элементов и распространяется на другие виды сварки плавлением. Неблагоприятные условия в отношении формы сварочной ванны создаются при
235
сварке первого слоя многослойного шва и углового шва с разделкой кромок, где требование обеспечения провара вершины угла предопределяет необходимость применения швов с малым коэффициентом формы (рис. 6-10, а, б). Из практики известно, что подобные швы обладают пониженной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Для улучшения условий формирования первого слоя многослойных швов увеличивают угол разделки и уменьшают величину притупления.
Неблагоприятные условия для кристаллизации металла шва создаются при сварке стыковых односторонних швов с полным проваром на флюсовой подушке. При этом в результате ограниченного теплоотвода от основания сварочной ванны столбчатые кристаллиты растут навстречу друг другу, что определяет большую вероятность появления трещин (рис. 6-11).
Изменение формы провара — один из широко применяемых технологических методов повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Более высокое значение коэффициента формы шва, наряду с другими факторами, определяет большую стойкость против образования кристал-
Рис. 6-11. Трещина в одностороннем шве
.лизационных трещин швов, выполненных .дуговой сваркой покрытыми электродами и -электрошлаковой сваркой, по сравнению со
швами, сваренными под флюсом. При типичных для первых двух способов режимах
>сварки коэффициент формы шва изменяется в пределах 2,5—5,0 против 1,0—2,5 при сварке под флюсом. Повышению стойкости швов против образования кристаллизационных трещин при ручной дуговой сварке способствует снижение доли основного металла в металле шва, а при электрошлаковой сварке — и наличие сопутствующего подогрева.
В сварочной практике существует мнение, что швы с выпуклой формой поверхности обладают более высокой стойкостью против образования кристаллизационных трещин, чем швы с вогнутой формой поверхности. Это мнение не соответствует действительности. При прочих равных условиях стойкость металла того и другого шва против образования кристаллизационных трещин одинакова. Только, как это видно на рис. 6-2, в выпуклых швах трещины не выходят, а в вогнутых швах выходят на их поверхность.
Влияние величины первичных кристаллитов. Стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин может быть повышена путем измельчения первичной структуры металла шва и изменения характера первичной кристаллизации. Измельчение первичной структуры способствует уменьшению степени химической неоднородности, т. е. уменьшению концентрации вредных примесей по границам кристаллитов.
Измельчение первичной структуры металла шва может быть достигнуто за счет увеличения скорости кристаллизации. Для этого уменьшают погонную энергию сварки путем снижения силы сварочного тока, повышения скорости сварки, увеличения числа проходов. Однако при этом снижается производительность сварочных работ. Указанного недостатка лишен способ введения дополнительного металла с присадочной проволокой, приводящей к охлаждению металла сварочной ванны и уменьшению размеров кристаллитов.
Измельчению первичной структуры металла шва способствует мелкозернистая структура основного металла, так как рост столбчатых кристаллитов начинается с оплавленной поверхности основного металла. Измельчение зерен основного металла достигается в процессе его производства. Наклеп кромок деталей перед сваркой также замедляет рост зерен основного металла под влиянием сварочного нагрева. Положительный эффект может быть достигнут и при соответствующей наплавке кромок перед сваркой.
Измельчение первичных кристаллитов и дезориентированное строение металла шва могут быть достигнуты введением в сварочную ванну модификаторов. Модификаторами называют вещества,
присутствие малых количеств которых изменяет процесс кристаллизации. Модификаторы могут быть двух типов. К первому типу относятся поверхностно-активные модификаторы, молекулы которых, адсорбируясь на гранях растущих кристаллитов металлу, задерживают их рост и изменяют форму. Модификаторы второго типа образуют в жидком металле мельчайшие тугоплавкие частицы, являющиеся зародышами кристаллитов. Эти частицы должны иметь кристаллическую структуру, близкую к таковой модифицируемого металла. Эффект модифицирования при сварке стали наблюдается, например, при введении титана через керамический флюс или через электродное покрытие. Для аустенитного шва модифицирование имеет место при выделении карбидов ниобия или ферритной фазы.
Измельчить первичную структуру металла шва можно путем механических колебаний сварочной ванны в процессе ее кристаллизации, механической вибрации электрода, электромагнитных колебаний и т п. Подобный эффект дает также наложение ультразвуковых колебаний. Все эти способы вызывают дробление кристаллитов и перемешивание расплава, в результате чего первичная структура измельчается.
Горячие трещины в околошовной зоне. В околошовной зоне сварных соединений конструкционных сталей и сплавов иногда наблюдаются горячие трещины, проходящие по границам зерен основного металла (рис. 6-12). Эти трещины могут распространяться в металл шва или другие участки околошовной зоны.
Горячие трещины образуются в околошовной зоне в процессе сварки при температурах ниже точки плавления основного металла. При этом на границах зерен собираются поверхностноактивные элементы, в том числе вредные примеси. В результате на межзеренных границах образуются легкоплавкие включения и прослойки. Величина взаимного проскальзывания зерен и относительное количество межзеренных границ, по которым оно происходит, значительно снижаются с уменьшением размера зерен. Поэтому при мелкозернистом основном металле стойкость против образования трещин в околошовной зоне больше, чем при крупнозернистом В связи с этим катаные и кованые стали и сплавы по способности противостоять возникновению и развитию горячих трещин превосходят литые стали и сплавы.
Под воздействием процесса сварки неметаллические включения основного металла также претерпевают существенные изменения, сопровождающиеся образованием опасных в отношении возникновения горячих трещин пленообразных включений сульфидов и фосфидов.
Снижение опасности образования горячих трещин может быть достигнуто путем рационального легирования стали или сплава, совершенствования методов их изготовления, использования способов и режимов сварки с минимальным выделением теплоты.
Рис. 6-12. Горячая трещина в околошовной зоне
В основном металле следует ограничивать содержание вредных примесей, в особенности серы и фосфора, прибегать к связыванию этих элементов в тугоплавкие соединения, а также способствовать измельчению и равномерному распределению их в основном металле
§ 6-3. Холодные трещины
В отличие от кристаллизационных трещин холодные трещины образуются в сварных соединениях при остывании их до относительно невысоких температур, как правило, ниже 200° С К этому времени металл шва и околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, присущие ему при нормальных температурах. Холодные трещины являются типичным дефектом сварных соединений из среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса. Ввиду преимущественного возникновения холодных трещин в соединениях из восприимчивых к закалке мартенситных и перлитных сталей трещины этого типа иногда называют закалочными. Холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону и реже металл шва.
Выявляют трещины внешним осмотром, с помощью ультразвука, по макро- и микрошлифам, а также по излому образцов.
239
По внешнему виду Холодные трещины отличаются от кристаллизационных и горячих трещин меньшей шириной, что четко проявляется на слабо протравленных макро- и микрошлифах.
В зависимости от расположения в сварном соединении различают продольные и поперечные трещины, залегающие в металле шва и околошовной зоне (рис. 6-13). Особо выделяют продольные трещины, залегающие в зоне сплавления шва с основным металлом (рис. 6-13, б), которые называют отрывами. Продольные трещины, расположенные в околошовной зоне, называют отколами (рис. 6-13, а). Часто встречаются также поперечные и продольные трещины, переходящие из околошовной зоны в шов. Переход трещин из шва в околошовную зону встречается значительно реже. Поперечные трещины, зародившиеся в околошовной зоне и перешедшие в шов, показаны на рис. 6-14. Трещины отмеченных видов могут выходить и не выходить на поверхность свариваемого металла. В зависимости от этого их называют наружными или внутренними трещинами.
Отколы являются наиболее общим и частым дефектом сварных соединений. Отрывы встречаются, как правило, в сварных соединениях из закаливающихся сталей, в которых металл шва имеет аустенитную структуру. Такую структуру получают путем соответствующего легирования швов с целью придания им высоких
Рис. 6-13. Холодные трещины
а — продольные^околошовные (отколы),
б — продольные вазоне сплавления (отрывы); в — поперечные в металле шва
г — поперечные околошовные
Рис. 6-14. Поперечные трещины, развивающиеся в направлении шва пластических свойств и обеспечения высокой сопротивляемости околошовной зоны образованию отколов.
Поперечные трещины в околошовной зоне встречаются редко и, как правило, только при сварке многослойных швов.
Холодные трещины в шве образуются, главным образом, при повышенном содержании в металле шва углерода и легирующих элементов, близком к содержанию их в основном металле. Это бывает редко, так как с целью повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин содержание углерода в шве обычно устанавливают более низким, чем в основном металле.
Основным видом холодных трещин в сварных соединениях являются околошовные трещины, в связи с чем условия и причины их образования изучены достаточно подробно.
Кроме температуры возникновения, внешнего вида и расположения в соединении важнейшей отличительной чертой холодных трещин является их задержанное зарождение и замедленное развитие. Они возникают по истечении некоторого времени после окончания сварки и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяются в металле.
Типичный пример зарождения и развития продольной трещины в околошовной зоне однослойного стыкового соединения стали 35X3H3M толщиной 14 мм схематически показан на рис. 6-15. Первая зародышевая микротрещина появилась через 25 мин после сварки (под флюсом в один проход) при температуре около 130° С. На протяжении первого часа после сварки появилось еще несколько микротрещин (рис. 6-15, а) на границах зерен, выходящих на поверхность свариваемых листов. Они отчетливо обнаруживались с помощью ультразвука и под микроскопом, но были невидимы невооруженным глазом. В дальнейшем появились новые
a)S)В)г)
Рис. 6-15. Схема зарождения и развития холодных околошовных трещин в стыковом соединении стали 35X3H3M:
а — зарождение первых микротрещин;
б — зарождение новых микротрещин н развитие ранее возникших через 6 ч после сварки;
в — наличие микротрещин через 18 ч после сварки;
г — образование сквозных микротрещин через 72 ч после сварки;
д — зарождение микротрещин по границам зерен; Х100
и развивались ранее возникшие микротрещины (рис. 6-15, б, в). Этот процесс происходил медленно — макроскопическая трещина образовалась лишь на третьи сутки (рис. 6-15, г). Если начальное развитие холодных трещин идет по границам зерен, то в дальнейшем оно может проходить как по границам, так и по телу зерна (рис. 6-15, д).
Описанная выше картина зарождения и развития холодныхтрещин может существенно изменяться в зависимости от химиче-242
ского состава основного металла, размеров и толщины соединяемых деталей, условий их закрепления перед сваркой, способов и режимов сварки и других факторов. Факторы, понижающие сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин, ускоряют их зарождение и развитие, а факторы, повышающие эту сопротивляемость, замедляют.
Большое разнообразие условий для возникновения холодных трещин в реальных сварных конструкциях приводит к тому, что в одних случаях макроскопические холодные трещины появляются через несколько минут после сварки, а в других — после нескольких часов и суток. Известны примеры, когда трещины возникали даже по истечении нескольких десятков суток. Они могли образоваться только вследствие развития начальных микротрещин, возникших в соединении в первые часы после сварки и затем прекративших свой рост ввиду недостаточной величины сварочных напряжений или других причин. Впоследствии при хранении конструкций могли произойти неблагоприятные изменения внешних условий, способствующие развитию микротрещин в макротрещины. В условиях монтажа и эксплуатации сварной конструкции дополнительным фактором, который мог вызвать не только возобновление роста микротрещин, но и их образование, является суммирование сварочных напряжений с напряжениями от внешних нагрузок.
Холодные трещины чаще всего развиваются прерывисто (скачкообразно), причем одновременно может развиваться несколько микротрещин. Если же в соединении при сварке накопилась большая энергия упругой деформации, то после начального периода замедленного развития холодная трещина растет мгновенно (взрывообразно) и со значительным звуковым и механическим эффектом распространяется на все сечение соединения. Отдельные детали при этом расходятся в стороны.
Объяснить причины образования холодных трещин весьма трудно. При испытании на растяжение поперечных образцов сварного соединения, склонного к образованию отколов, разрушение происходит вне околошовной зоны по основному металлу или шву при весьма высоких напряжениях (более 50 кгс/мм2). Вместе с тем замер поперечных сварочных напряжений в этих соединениях показал, что они низки (порядка 10—20 кгс/мм2). Было непонятно, почему такие низкие напряжения вызывают разрушение наиболее прочного участка сварного соединения — металла околошовной зоны.
Понадобились многолетние исследования, прежде чем были выяснены основные закономерности образования холодных трещин при сварке и было установлено, что основными факторами, определяющими их возникновение и развитие в сварных соединениях, являются закалочные явления, суммарные напряжения (сварочные и от внешних нагрузок) и водород. Для изложения основных результатов этих исследований рассмотрим водородную и зака-
лочную гипотезы образования холодных трещин, предложенные еще в 1944 г. и непрерывно развивающиеся до настоящего времени.
В соответствии с водородной гипотезой основным фактором, определяющим стойкость околошовной зоны против образования трещин, является водород, поступающий в околошовную зону из металла шва. Гипотеза основывалась на экспериментальных фактах, свидетельствующих о том, что применение низководородных и аустенитных электродов приводит к заметному повышению сопротивляемости соединений образованию отколов.
Согласно гипотезе, попадающий при сварке в металл шва водород диффундирует в околошовную зону. Здесь, скапливаясь в микропустотах и несовершенствах атомной решетки и превращаясь из атомарного в молекулярный, он создает громадное давление, под действием которого и происходит разрушение металла, т. е. образование трещин. Высокую сопротивляемость образованию околошовных трещин соединений с аустенитным швом объясняли тем, что швы с аустенитной структурой в условиях сварочного термического цикла удерживают практически весь водород и перемещения водорода в околошовную зону не происходит.
Водородная гипотеза долгое время была общепринятой, хотя и не основывалась на прямых данных о связи отколов с содержанием водорода в околошовной зоне. Однако экспериментальные данные, полученные методом вакуум-нагрева отдельных участков сварного соединения (рис. 6-16, б, г), а также путем наблюдения за выделением из сварного соединения диффузионного водорода (рис. 6-16, а, в), показали, что при одинаковых условиях сварки содержание водорода в околошовной зоне при аустенитной структуре металла шва значительно выше, чем при ферритной структуре. На рис. 6-16, а, в видно, что диффузионный водород из около-
Рис. 6-16. Распределение водорода по сечению ферритной (а, б) и аустенитной (в, г) наплавок, выполненных на стали ЗОХГС под флюсом АН-15 в одинаковых условиях.
а, в — выделение диффузионною водорода непосредственно после сварки, ё, д — распределение содержания водорода (диффузионного 4- остагоч него) по сечению наплавки
шовной зоны выделяется только при аустенитном наплавленном металле. В этих опытах производилась однослойная наплавка валиков под флюсом на сталь ЗОХГС толщиной 30 мм. Данные о высоком содержании водорода в околошовной зоне соединений с аустенитным швом также получены и с помощью локального спектрального анализа.
Наряду с этим имеются многочисленные сведения о значительном повышении стойкости околошовной зоны против образования трещин при снижении содержания водорода в металле шва. Так, например, при снижении содержания водорода в металле шва в 1,5—2 раза, достигаемом при использовании постоянного тока взамен переменного, заметно повышается стойкость околошовной зоны против образования холодных трещин при сварке низколегированной ферритной проволокой сталей типа 25ХГС.
Таким образом, водород в одних случаях существенно влияет на стойкость околошовной зоны против образования трещин, в других же, например при сварке среднелегированных сталей аустенитной проволокой, его роль второстепенна. Это позволяет заключить, что водород не является главным и тем более единственным фактором, определяющим образование холодных трещин в сварных соединениях. Его влияние на их образование необходимо рассматривать совместно с действием других факторов, обусловленных преимущественно закалочными явлениями в околошовной зоне и сварочными напряжениями. В соединениях с аустенитным швом положительное действие других факторов значительно преобладает над отрицательным действием водорода.
Закалочная гипотеза холодных трещин основана на большом экспериментальном материале исследований закалочных явлений в металле вообще и в сварных соединениях в частности. При этом особое значение имеют исследования, установившие наличие и сущность замедленного разрушения закаленных сталей и металлов.
Согласно этой гипотезе, механизм образования холодных трещин можно описать следующим образом. В процессе охлаждения в околошовной зоне сварного соединения закаливающихся сталей образуется характерная мартенситная структура металла и сложное напряженное состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Для большинства конструкционных сталей, при сварке которых наблюдается образование холодных трещин, структурные превращения в околошовной зоне заканчиваются в основном при охлаждении до температур порядка 150° С. К этому моменту завершается и формирование напряженного состояния в сварных соединениях из этих сталей.
Характерной и отличительной особенностью напряженного состояния сварных соединений, закаливающихся сталей с ферритным или аустенитным швом является возникновение сложного распределения продольных сварочных напряжений (рис. 6-17); это распределение характеризуется наличием сравнительно высоких напряжений сжатия в участке зоны на границе со швом и
245
Рис. 6-17. Распределение продольных (я) и поперечных (б) напряжений’, сварных соединениях закаливающихся сталей с ферритным и аустенитным швами
высоких напряжений растяжения в соседнем участке этой зоны, а также в сварном шве. Такое распределение продольных напряжений обусловлено значительным увеличением объема металла околошовной зоны, непосредственно граничащего со швом, вследствие мартенситного превращения. В поперечном направлении возникают небольшие растягивающие напряжения в средней части соединения (по длине) и напряжения сжатия по краям (см. рис. 6-17). В результате на границе раздела шов—основной металл появляются большие скалывающие напряжения, способствующие замедленному разрушению закаленной стали и образованию холодных трещин типа отколов.
Замедленное разрушение происходит вследствие снижения прочности некоторых металлов под влиянием длительного статического нагружения при близких к комнатным температурах. В отдельных случаях это снижение прочности очень значительное. Так, например, для стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов (типа 35ХГС) непосредственно после закалки с высоких температур (1200° С) длительная прочность может составить всего 10% кратковременной прочности. Причины замедленного разрушения перегретой закаленной стали заключаются в особой ее структуре.
Типичная структура закаленной стали, склонной к замедленному разрушению, наблюдается в участке перегрева околошовной зоны (рис. 6-18). Она характеризуется крупным зерном и соответственно крупными мартенситными иглами, выходящими своими торцами на границы зерен. В результате изменений в пограничных объемах зерен искажается атомное кристаллическое строение металла. Можно предполагать, что по строению и свойствам эти пограничные участки зерен приближаются к аморфным телам.
Как известно, аморфные тела могут претерпевать значительную деформацию во времени под действием постоянной нагрузки, недостаточной для сколько-нибудь заметного деформирования тел при кратковременном ее действии. В свете современных представ-
246
металла околошовной зоны, участок перегрева, стальметалла околошовной зоны, участок перегрева, стальРис. 6-18. Структура 35X3H3MРис. 6-18. Структура 35X3H3M
металла околошовной зоны, участок перегрева, сталь
металла околошовной зоны, участок перегрева, сталь
Рис. 6-18. Структура 35X3H3M
Рис. 6-18. Структура 35X3H3M
лений о строении мартенсита отмеченное искажение кристаллической решетки следует связывать также с тем, какой мартенсит образуется в околошовной зоне ■— дислокационный, относительно пластичный, или двойниковый, весьма хрупкий. Последнее определяется содержанием углерода в стали и температурой мартенситного превращения (см. гл 6).
Исходя из замедленного характера разрушения сварных соединений и учитывая приведенные выше сведения о напряженном состоянии и структуре околошовной зоны, способствующих такому разрушению, зарождение и развитие холодных трещин можно описать следующей схемой (рис 6-19). Еще в процессе завершения структурных превращений крупнозернистый металл околошовной зоны с грубыми мартенситными иглами, как бы подготовленный к замедленному разрушению по границам зерен, подвергается воздействию сложнонапряженного состояния. Этот металл подвергается естественному испытанию на стойкость против замедленного разрушения непосредственно в процессе сварки.
Рассмотренное выше сложнонапряженное состояние на предлагаемой схеме отражено следующим образом: в околошовной зоне у границы со швом действуют продольные напряжения сжатия от и поперечные напряжения растяжения о2 В примыкающем участке шва у этой границы действуют продольные напряжения растяжения с^ и те же поперечные напряжения растяжения о2. При этих условиях на границе раздела возникают значительный перепад продольных напряжений (—ох)—(+ох) и значительные напряжения сдвига. По границам зерен околошовной зоны, направленным
Рис. 6-19. Схема зарождения околошовной трещины по границам зерен
под углом 45° к оси шва, возникают значительные касательные напряжения т. Такое напряженное состояние способствует зарождению трещины замедленного разрушения на стыке трех зерен (см. рис. 6-19), которая в дальнейшем постепенно развивается в полном соответствии с изложенными выше представлениями.
Так зарождаются околошовные
трещины всех видов — продольные (отрывы и отколы) и поперечные (собственно околошовные и переходящие в шов). Направление дальнейшего развития зародившейся трещины зависит от способности металла того или иного
участка сварного соединения противостоять ее развитию, а также от конкретного сочетания продольных и поперечных напряжений и, в частности, от величины перепада напряжений на границе шов— околошовная зона. При этом, как правило, начальная стадия развития холодных трещин связана с границами крупных зерен.
Образованию отрывов в соединениях легированных сталей с аустенитным швом помимо перепада напряжений и наличия крупных зерен в околошовной зоне способствуют низкая пластичность и прочность зоны сплавления. Следует также учитывать, что такие причины замедленного разрушения (развития холодных трещин), как перегрев металла и большой перепад продольных напряжений, действуют одновременно и совместно только на границе шов— околошовная зона. Поэтому отмеченная граница в наибольшей степени подвержена образованию продольных трещин. Кроме того, металл околошовной зоны вблизи шва часто ослабляется развитием высокотемпературной химической неоднородности и неблагоприятным видоизменением неметаллических включений, обусловленным нагревом до высоких температур, близких к точке плавления.
Образование поперечных трещин также начинается в околошовной зоне на участке перегрева и обычно свидетельствует о высоком уровне продольных напряжений в соединении. В сравнительно редких случаях, преимущественно в соединениях с многослойными швами, поперечные холодные трещины могут зарождаться в околошовной зоне на некотором расстоянии от участка перегрева, в местах, где развиваются весьма высокие напряжения растяжения (см. рис. 6-17). Возможно также зарождение поперечных трещин в самом металле шва. Обычно это имеет место в многослойных малопластичных швах.
Выше было рассмотрено возникновение зародышей холодных трещин по границам зерен вследствие нарушения по этим границам атомного строения металла. В реальных металлах возможен и другой механизм образования зародышей таких трещин, связанный с наличием неметаллических включений". Последние могут располагаться в металле по границам и телу зерен. Зародышами холодных трещин могут стать неметаллические включения при их неблагоприятных форме, химическом составе и расположении, а также горячие трещины — надрывы, возникающие в участке крупного зерна околошовной зоны. В результате неизбежного нагрева этого участка до температур, близких к солидусу, в нем происходят значительные изменения исходных неметаллических включений основного металла. Это имеет существенное значение при электрошлаковой и дуговой однослойной сварке толстого металла.
Отмеченные изменения происходят в наибольшей степени в тех участках соединения, где максимальный перегрев околошовной зоны сочетается с высокими временными напряжениями растяжения при температурах, близких к солидусу. Такое неблагоприятное сочетание условий имеет место при сварке кольцевых швов толстостенных сосудов.
На рис. 6-20 показаны примеры зарождения холодных трещин от пленообразного неметаллического включения и от горячих трещин-надрывов.
При помощи электрошлакового и электроннолучевого переплавов можно существенно уменьшить общее количество неметаллических включений в основном металле, предельно ограничить содержание легкоплавких включений сульфидного происхождения и перевести их в более тугоплавкие соединения, а также достичь равномерного и мелкодисперсного распределения неметаллических включений в металле. При этом значительно повышается стойкость сварных соединений против образования холодных трещин. Аналогичные результаты можно получить, применив предварительную наплавку подлежащих сварке кромок.
Если наплавку выполнить металлом такого же химического состава, что и металл кромок, то стойкость соединения против образования холодных трещин обычно на 20—30% превысит стойкость соединения без наплавки. В этом случае эффект достигается вследствие благоприятных изменений состава и распределения неметаллических включений в наплавленном металле. Если же применить наплавку незакаливающимся металлом, например аустенитным, то можно почти полностью устранить опасность возникновения в соединениях холодных трещин.
Изложенное позволяет, с точки зрения закалочной гипотезы, объяснить влияние многочисленных и разнообразных факторов на стойкость соединений против образования холодных трещин. Рассмотрим этот вопрос на примере сварных соединений среднелегированных сталей. Исходным в этом объяснении является положение о том, что стойкость соединений против образования
Рис. 6-20. Зарождение холодной трещины в участке перегрева с развитой высокотемпературной неоднородностью от пленообразного неметаллического включения (а) и надрыва (б): X 1000
холодных трещин определяется, с одной стороны, сопротивляемостью металла замедленному разрушению, и, с другой —напряженным состоянием в сварном соединении. При этом принципиально важно учитывать, во-первых, влияние различных факторов на изменение условий локальной пластической деформации по границам зерен и, во-вторых, их влияние на стойкость участков сварного соединения развитию холодных трещин.
Все факторы, вызывающие упорядочение атомного строения по границам зерен, затрудняющие образование сдвигов по этим границам и способствующие вовлечению в пластическую деформацию тела зерна, повышают стойкость металла против образования холодных трещин, затрудняя их зарождение. Такое же влияние оказывают факторы, исключающие или ослабляющие возможность образования зародышей холодных трещин от неметаллических включений, микроскопических горячих трещин-надрывов ит. п.
В связи с изложенным решающее влияние на стойкость сварных соединений среднелегированных сталей против образования холодных трещин оказывают перегрев в околошовной зоне, температурный интервал мартенситного превращения в этой зоне, а также в металле шва и скорость охлаждения околошовной зоны и металла шва в этом интервале. Чем меньше перегрев, выше температура мартенситного превращения и медленнее охлаждение, тем меньше нарушается атомное строение на границах зерен и соответственно затрудняется зарождение трещин. Кроме того, чем выше пластичность мартенсита, тем выше его сопротивляемость развитию трещин.
Образование трещины затрудняется еще и тем, что как повышение температуры мартенситного превращения, так и замедление охлаждения, уменьшая перепад продольных напряжений на границе околошовная зона—шов, смягчают напряженное состояние в участке, где их возникновение наиболее вероятно. Если ограничить перегрев и предупредить образование мартенсита или достаточно высоко сместить температурный интервал его образования, то возникновения холодных трещин можно не опасаться. Их не будет и в том случае, если достаточно сильно замедлить охлаждение в мартенситном интервале температур. Мартенсит при таком охлаждении в среднелегированных сталях отпускается (са- моотпускается) и становится не склонным к замедленному разрушению.
Отсюда следует, что наиболее простой и эффективный способ борьбы с холодными трещинами заключается в регулировании термического цикла сварки путем выбора соответствующих методов и режимов сварки, а также использования в необходимых случаях предварительного подогрева.
Идеальный термический цикл, обеспечивающий наивысшую стойкость против образования холодных трещин, приведен на рис. 6-21. Для сравнения на этом же рисунке показаны обычные
251
Рис. 6-21.
Сварочные термические циклы:
а — идеальный, обеспечивающий наивысшую сопротивляемость соединений образованию холодных трещин;
б — при электродуговой сварке, в — при электроннолучевой сварке
термические циклы для электроннолучевой и электродуговой сварки. При таком идеальном термическом цикле перегрев не развивается вследствие быстрого нагрева и охлаждения металла при температурах выше точки ЛР
Медленное охлаждение при температурах ниже точки Л х способствует развитию в соединениях из среднелегированных сталей перлитного и промежуточного превращений переохлажденного аустенита в околошовной зоне и металле шва и устранению или смещению мартенситного превращения в область высоких температур. Другими словами, уменьшается закалка металла сварного соединения, что повышает сопротивляемость стали замедленному разрушению и стойкость против образования холодных трещин.
Этому также способствует, причем весьма активно, замедленное охлаждение сварного соединения в область температур мартенситного превращения (ниже 350° С). В результате самоот- пуска мартенсита при этих температурах упорядочивается кристаллическое строение металла в объемах, примыкающих к границам зерен, повышается пластичность металла в целом и затрудняется возникновение и развитие холодных трещин. Реальные термические циклы, близкие к идеальным, можно получить при электроннолучевой сварке с предварительным подогревом или при многослойной дуговой сварке толстого металла с предварительным подогревом.
Кроме отмеченных выше основных факторов, оказывающих решающее влияние на стойкость сварных соединений против образования холодных трещин, имеются дополнительные и производные факторы, которые также могут оказывать влияние на эту стойкость. К ним относятся содержание углерода и легирующих элементов в основном металле и шве, качество основного металла, деформационный цикл сварки, термообработка после сварки и др. (см. гл. 10).
Остановимся кратко на методах оценки стойкости сварных соединений против образования холодных трещин. Различают
252
Методы качественной и количественной оценки стойкости сварных соединений против образования холодных трещин.
Качественную оценку проводят при помощи технологических проб на сварных образцах, в которых создают условия, способствующие образованию холодных трещин. Обычно прибегают к закреплению соединяемых элементов на жестком основании —■ плите большой толщины и т. п.
Внешним осмотром и по макрошлифам устанавливают наличие или отсутствие в контрольном шве технологической пробы холодных трещин, определяют их вид и протяженность. По этим показателям приблизительно предполагают, будут ли в реальных сварных соединениях возникать трещины и какие, т. е. определяют пригодность тех или иных марок стали, сварочных материалов, методов, режимов и других условий сварки для изготовления конкретной сварной конструкции.
Оценка стойкости с помощью технологических проб весьма приближенная. В одних случаях она приводит к излишнему запасу этой стойкости и обусловливает неоправданное снижение прочности основного металла вследствие чрезмерного ограничения содержания углерода и легирующих элементов, неоправданному применению таких дорогих и трудноосуществимых технологических методов повышения стойкости, как предварительный подогрев и последующая термообработка соединений и т. п.
В других случаях оценка с помощью технологических проб может быть причиной недостаточной стойкости против образования холодных трещин. Последнее обычно обусловлено тем, что в ряде случаев напряженное состояние и деформации реальной конструкции оказываются намного большими, чем в технологической пробе.
В последние годы разрабатываются и находят практическое применение методы количественной оценки стойкости металла против образования холодных трещин, основанные на испытаниях сварных соединений путем замедленного разрушения. Сущность метода, предложенного Н. Н. Прохоровым, состоит в том, что с помощью специальных машин или устройств серия сварных образцов сравнительно небольших размеров подвергается испытанию на длительное растяжение или изгиб сразу же по окончании сварки. Сварка образцов обычно осуществляется в этих же устройствах. Испытания на растяжение, как и другие виды «мягких» нагружений, например кручение, заслуживают предпочтения, как более полно и точно выявляющие склонность металлов к замедленному разрушению.
Преимущества испытаний на изгиб заключаются в большей простоте испытательных устройств, так как на них необходимо создавать значительно меньшие усилия, чем на устройствах для растяжения (рис. 6-22). При выборе способа нагружения следует учитывать реальные условия работы испытываемого соединения.
Рис. 6-22. Схемы устройств для испытания стойкости сварных соединений против образования холодных трещин:Рис. 6-22. Схемы устройств для испытания стойкости сварных соединений против образования холодных трещин:
Рис. 6-22. Схемы устройств для испытания стойкости сварных соединений против образования холодных трещин:
Рис. 6-22. Схемы устройств для испытания стойкости сварных соединений против образования холодных трещин:
а — путем растяжения (/ — станина, 2 — первая подвижная плита;
3 — винт, 4 — клин; 5 — вторая неподвижная плита; б — образец);
б — путем изгиба (/ — струбцина; 2 — тяга; 3 — образец)
Испытания на замедленное разрушение проводятся в следующем порядке. Подлежащие испытанию образцы делят на три- четыре партии по два-три образца в каждой. Первоначально определяют кратковременную прочность, затем следующие партии испытывают при напряжениях, составляющих 50; 25; 10% кратковременной прочности, и для каждого напряжения определяют время разрушения. Максимальную продолжительность нагружения, как правило, устанавливают равной 24 ч, а в отдельных случаях 72 ч. По результатам испытания строят кривые замедленного разрушения.
Из приведенных на рис. 6-23 кривых, относящихся к случаю испытания на растяжение однослойных стыковых соединений, видно,
что указанным методом можно количественно оценить влияние весьма незначительных и малозаметных изменений структуры и напряженного состояния сварных соединений на их стойкость против образования холодных трещин. Этот метод можно рекомендовать для широкого практического применения (подробнее см. в гл. 10).
Изложенные выше закономерности и положения, относящиеся к образованию холодных трещин (причины их возникновения,
способы предупреждения, методы оценки стойкости металла), хотя и составлены на опытном материале, накопленном при
Рис. 6-23. График зависимости прочности соединений (толщина металла 16 мм) от длительности нагружения для сталей:
а — 27ГСМ;
б — 30Х2НГМ;
в — 42Х2ГСНТ
сварке легированных закаливающихся сталей, имеют общий характер и могут быть распространены также на стали и сплавы других классов с определенными уточнениями.
В частности, эти положения полностью пригодны для анализа процессов образования холодных трещин в сварных соединениях высоколегированных сталей, в околошовной зоне которых образуется мартенсит. Они также могут быть распространены и на случай образования холодных трещин в соединениях сплавов титана с высоким пределом текучести. При сварке таких сплавов в околошовной зоне и швах имеет место низкотемпературное превращение высокотемпературной фазы 0 в фазу а'.
Повышение содержания в фазе 0 алюминия 0-стабилизирую- щих примесей (О, N) свыше определенных пределов может привести к значительной локализации пластической деформации по границам зерен околошовной зоны (см. рис. 6-19).
В сварных соединениях титана вследствие более высокой температуры и меньшего объемного эффекта 0 —> «'-превращения (по сравнению с мартенситным у —> «-превращением в стали) замедленное разрушение развивается значительно менее интенсивно и требует более высокого уровня напряжений. Так, например, если в сварных соединениях крестовой пробы из закаливающихся сталей процесс развития трещины завершается на протяжении суток, то в случае сплавов титана с высоким пределом текучести он длится неделями и даже месяцами. Минимальные напряжения, вызывающие замедленное разрушение сварных соединений титана, особенно при низком содержании газов, по своей величине значительно ближе к пределу текучести, чем у закаливающихся сталей.
§ 6-4. Поры в сварных швах
Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры располагаются по оси шва или по его сечению, а также вблизи от границы сплавления. При дуговой сварке поры выходят или не выходят на поверхность шва (рис. 6-24, а, б), располагаются цепочкой по оси шва (рис. 6-24, а) или отдельными группами (рис. 6-24, в). Поры, выходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. При электрошлаковой сварке и дуговой сварке с принудительным формированием поры не выходят на поверхность шва (рис. 6-24, г), что обусловлено более ранним затвердеванием примыкающей к формирующим устройствам части металла сварочной ванны.
Поры могут быть микроскопическими (несколько микрометров) и крупными (4—6 мм в поперечнике). Выходящие на поверхность поры выявляются при внешнем осмотре. Поры, не выходящие на поверхность, выявляются теми же методами, что и не выходящие
Рис. 6-24. Поры в металле шва
а — выходящие на поверхность шва,
б — не выходящие на поверхность шва,
в — групповое расположение пор,
§ — распрложение пор при электрошлаковой сварку
на поверхность трещины. Поры — недопустимый дефект сварных швов для аппаратуры, работающей под давлением и под вакуумом или предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие пор при всех условиях нежелательно. Вопрос о допустимости пор решается в зависимости от условий эксплуатации конструкции.
1/Основной причиной возникновения пор при сварке стали являются водород, азот и окись углерода. Роль остальных газов (Н2О, СО2 и др ) незначительна.'.Пористость швов при сварке алюминия и его сплавов в основном вызывается водородом. В швах на меди поры образуются преимущественно при выделении паров воды.
Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда металлическая ванна находится в жидком состоянии, и протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться Их выделение не только не приводит к образованию пор, но оказывает рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасыщенность. Если же образование и выделение газов происходит в период затвердевания ванны и проходит вяло, пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле в виде пор.
Образование пор в швах на стали от выделения водорода и азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания металла сварочной ванны. Находящиеся в жидком состоянии железо и его сплавы могут растворять значительные количества водорода и азота. По мере остывания металла растворимость этих газов снижается. При уменьшении температуры вплоть до температуры плавления растворимость снижается постепенно и образовавшиеся пузырьки свободно всплывают на поверхность жидкой ванны. При затвердевании металла снижение растворимости водорода и азота происходит скачкообразно. Например, при затвердевании низкоуглеродистой стали растворимость азота снижается в 4 раза, а водорода в 1,7 раза.
Более низкая растворимость водорода и азота в твердом металле по сравнению с растворимостью их в жидком металле ведет к обогащению расплава этими газами, что способствует зарождению газовых пузырьков на поверхности раздела жидкого и твердого металлов. При резком увеличении количества выделившегося газа не все пузырьки успевают всплыть на поверхность сварочной ванны, часть их остается в шве.
/Поры от окиси углерода возникают при недостаточной раскис- ленности металла сварочной ванны. Растворенные в жидкой стали углерод и кислород реагируют между собой по реакции
[С] + [01 = СО. (6-1)
Образующаяся при этом окись углерода может давать начало зародышам газовой фазы или же выделяться в уже существующие
17 Заказ № 782 2 5 7
пузырьки других газов. Для возникновения зародышей окиси углерода необходимы определенный избыток содержаний углерода и кислорода над равновесным и благоприятные условия для зарождения газовой фазы.
В реальных условиях сварки пористость швов обычно вызывается совместным действием нескольких газов. Если в процессе затвердевания металла сварочной ванны сила внутреннего давления в газовом зародыше или пузырьке заметно превышает барометрическое давление, металл будет кипеть и в шве появятся поры. Сила внутреннего давления в газовом зародыше или пузырьке состоит из парциальных давлений отдельных газов.
Водород поступает в атмосферу дуги, а из нее в сварочную ванну из ржавчины, влаги и других загрязнений, находящихся на поверхности свариваемых кромок и присадочного металла, из защитного газа или из материалов, входящих в состав покрытия или флюса.
Уменьшить растворение водорода в металле сварочной ванны можно ограничением доступа водорода и водяного пара в зону сварки; снижением парциального давления водорода и водяного пара в атмосфере дуги за счет связывания водорода в HF и разбавления его другими газами; снижением растворимости водорода в жидком металле вследствие окисления или легирования последнего; уменьшением растворения водорода в металлической ванне технологическими способами (применением постоянного тока, изменениями режима сварки, применением соответствующих сварочных материалов и т. и.); удалением водорода из металлической ванны при ее кипении; увеличением времени удаления водорода из металлической ванны.
Основным способом ограничения поступления водорода и водяного пара в зону сварки является очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги, масла, краски и других водородсодержащих веществ. При низкой температуре кромки следует также очищать от инея и влаги и просушивать. Чтобы избежать концентрации влаги на свариваемых кромках, рекомендуется их нагревать до температуры 100° С и выше. Ржавчину, масло или краску можно выжигать кислородно-ацетиленовой горелкой или резаком. Сварочную проволоку следует очищать от следов волочильной смазки и других загрязнений, избегать операции травления проволоки при ее волочении (лучше производить светлый отпуск). Сварочные электроды необходимо надежно упаковывать и хранить в сухом помещении. Защитный газ следует применять с минимальной влажностью. Флюс должен быть хорошо прокален.
Азот поступает в зону сварки, а из нее в сварочную ванну из окружающей атмосферы, а также из расплавляемых основного и дополнительного металлов. Избежать пористости от азота можно путем ограничения растворения азота в жидком электродном металле и металлической ванне до величин, меньших растворимости азота в твердом металле; повышения растворимости азота
258
в Твердом металле; связывания азота в металле шва в стойкие нитриды.
Растворение азота в металле ограничивают применением газовой или шлаковой защиты зоны сварки от доступа воздуха. Кроме того, нужно исключить все другие возможности поступления азота в зону сварки. Содержание азота в основном металле и сварочной проволоке не должно превышать допустимого. Нельзя выполнять прихватки, монтажные и подварочные швы электродами со стабилизирующим покрытием или покрытыми электродами с отбитой обмазкой. Содержание азота в защитных газах должно быть минимальным.
Повышение растворимости азота в твердом металле и связывание его в стойкие нитриды требуют дополнительного легирования металла шва элементами, обладающими большим химическим сродством к азоту. К таким элементам принадлежат титан, алюминий, церий, цирконий и др. Вводить в металлическую ванну нитридообразующие элементы целесообразно лишь тогда, когда нет возможности ограничить доступ азота в зону сварки.
К металлургическим способам предупреждения пористости от азота принадлежит также дегазация жидкого металла при его кипении. В частности, этот способ применяют при сварке и наплавке под флюсом металла с повышенным содержанием азота. Для этого иногда используют сварочную проволоку с повышенным содержанием углерода.
Среди кислородных соединений окись углерода и водяной пар отличаются тем, что при температурах существования жидкой стали они находятся в газообразном состоянии. В связи с этим одной из важнейших задач раскисления сварочной ванны является предупреждение образования этих газов во время затвердевания металла. Чтобы избежать пористости от выделения газообразных кислородных соединений, в зону сварки вводят элементы с высоким химическим сродством к кислороду, образующие твердые или жидкие окислы. Соединяясь с кислородом, эти элементы тормозят реакции образования окиси углерода и водяного пара. Эффективность действия элементов-раскислителей характеризуется их раскислительной способностью, т. е. их способностью снижать концентрацию кислорода в стали.
О раскислительной способности элементов можно судить по рис. 6-25, на котором показано количество кислорода, находящегося в равновесии с данным количеством элемента. Количество растворенного в жидком металле кислорода будет тем меньше, чем выше химическое сродство к кислороду данного элемента и больше его концентрация в расплаве. Небольшие присадки титана и алюминия могут подавлять реакцию образования окиси углерода в жидкой стали.
Кремний при достаточной его концентрации в расплаве также способен подавить образование окиси углерода. Раскисляющая сила углерода практически не изменяется с изменением темпера-
17* 259
раскислителями кислород ужераскислителями кислород уже
раскислителями кислород уже
раскислителями кислород уже
Рис. 6-25. Раскислительная способность элементов при температуре 1600° С (А. М. Самарин)
туры, тогда как раскисляющая сила кремния при снижении температуры возрастает. В равновесных условиях при температуре затвердевания стали кремний является лучшим раскислителем, чем углерод. Поэтому кремний способен остановить реакцию образования окиси углерода и успокоить кипение твердеющей стали. Свя- ' занный с титаном, алюминием, кремнием и другими сильными не может взаимодействовать с уг
леродом.
При сварке плавлением раскисление осуществляется путем введения элементов-раскислителей в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, электродного покрытия, керамического флюса и т. п. При наличии достаточного количества сварочного шлака раскисление может осуществляться за счет восстановления кремния и марганца из шлаковой фазы.
На пористость швов существенно влияет скорость кристаллизации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации металла рост кристаллитов обгоняет рост и всплывание пузырька газа, и пузырек запутывается в металле, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объема сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость кристаллизации металла и уменьшают пористость швов. Некоторое влияние оказывает и форма сварочной ванны. Повышение значения коэффициента формы шва приводит к уменьшению вероятности возникновения пор, так как при этом улучшаются условия для всплывания пузырьков в результате выдавливающего действия расту-, щих дендритов.
§ 6-5. Неметаллические включения в сварных швах
Неметаллические включения не относятся к числу дефектов сварных швов, но оказывают заметное влияние на их качество и свойства. Рассмотрим различные типы неметаллических включений, встречающихся в сварных швах на стали.
Оксидные включения. В металле шва может содержаться до 0,1% кислорода, находящегося в виде неметаллических оксид-
260
пых или смешанных включений. Химический и минералогический составы этих включений зависят от химического состава металла шва. При низком содержании кремния и марганца в металле шва и отсутствии других легирующих элементов оксидные включения содержат в основном FeO, остальное — SiO2 и МпО.
При повышении содержания кремния и марганца в металле шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается содержание в них окислов железа. Общее количество оксидных включений в шве при этом также уменьшается. С увеличением соотношения [% Si) : [% Мп] в металле шва содержание SiO2 во включениях растет, а МпО уменьшается.
Введение алюминия в металл шва уменьшает общее количество оксидных включений и ведет к появлению в их составе герцинита FeO-Al2O3. Дальнейшее повышение содержания алюминия сопровождается образованием включений глинозема А12О3. При наличии хрома в шве образуются включения хромита FeO-Cr2O3; продуктом раскисления сварочной ванны ванадием является-окись ванадия V2O3. Низкая концентрация титана в металле шва ведет к образованию включений титаната железа FeO-Ti2O3, при высоком его содержании образуется оксид титана Ti2O3.
Выявленные в швах ручной дуговой сварки оксидные включения по минералогическому составу можно разделить на следующие главные типы: 1) смешанные железо-марганцевые оксиды, представляющие собой непрозрачные включения преимущественно шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окис- ленность металла шва при низком содержании кремния и отсутствии других активных раскислителей; 2) железо-марганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений с вкраплениями темных частиц; 3) стекловидный кремнезем (прозрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встречается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.
При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений зависят от состава флюса. В швах, сваренных под высококремнистыми марганцевыми флюсами, включения преимущественно представлены высококремнистыми и железо-марганцевыми силикатами. Это округлые, прозрачные и сравнительно крупные (0,002—0,02 мм) оксидные включения. Кроме того, в таких швах много межкристаллитных силикатных пленок. На рис. 6-26 показаны межкристаллитные силикатные пленки, выявленные в низкоуглеродистом шве при исследовании под электронным микроскопом. Пленки расположены на границах между кристаллитами металла шва и иногда сливаются с круглыми оксидными включениями.
При высококремнистых безмарганцевых флюсах во включениях преобладают округлые бесцветные выделения стекловидного кремнезема, наблюдаются и межкристаллитные силикатные пленки. В швах, сваренных под низкокремнистыми и бескремнистыми
261
Рис. 6-26. Межкристаллитные силикатные пленки в шве, сва
ренном под высококремнистым марганцевым флюсом на низкоуглеродистой стали; X 9000
'4# флюсами, основную массу вклю- - чений составляют алюмосиликаты и шпинели. При сварке в защитных газах вид и состав оксидных включений опреде-
. ляются химическим составом
- . .-.-^металла шва и содержанием
в нем кислорода. Кроме перечисленных видов включений встречаются и другие. Оксидные включения часто имеют неоднородный минералогический состав, они также могут образовывать сложные кислородсодержащие включения, например, оксисульфиды.
Оксидные включения и силикатные пленки снижают ударную вязкость и хладостойкость металла шва на углеродистых и низколегированных сталях. В аустенитных швах силикатные пленки уменьшают пластичность металла шва при испытаниях на растяжение и изгиб, не влияя, однако, на величину ударной вязкости.
Сульфидные включения. В сварных швах на стали обычно содержится 0,02—0,04% S, образующей сульфидные включения. На нетравленых шлифах эти включения имеют вид темных пятен, чаще всего неправильной формы. Размер включений сильно возрастает в направлении от границы сплавления металла шва с основным металлом к середине шва. Наиболее крупные включения наблюдаются в середине верхней части шва. При специальном травлении шлифов выявляются сульфидные пленки и цепочки мелких сульфидных включений, расположенные по границам кристаллитов металла шва.
Состав, форма и размеры сульфидных включений зависят от химического состава металла шва. В сульфидных включениях сера в основном находится в виде соединений с железом и марганцем. Повышение содержания в шве марганца способствует преимущественному связыванию серы в сульфид марганца MnS. Окисление сварочной ванны окалиной уменьшает содержание MnS во включениях и увеличивает содержание сульфида железа FeS. При высоком содержании марганца в шве повышение количества углерода уменьшает содержание MnS в сульфидных включениях. При малом количестве марганца изменение концентрации углерода мало влияет на связывание серы в форме MnS.
Кремний сильно уменьшает содержание сульфида марганца во включениях. Наличие хрома в металле шва способствует связыванию серы в виде сульфида хрома или смешанных хромомар-
262
Рис. 6-27. Цепочка сульфидных включений и сульфидная пленка, послужившая причиной возникновения кристаллизационной трещины; X 1500
ганцевых сульфидов. Повышение содержания углерода в металле шва заметно увеличивает размер сульфидных включений.
В зависимости от степени раскисленности металла сварочной ванны образуются суль- фидные включения трех типов. При окисленном металле, а также в присутствии марганца, хрома и кремния преимущественно образуются шаровидные оксисульфидные включения. Под влиянием небольших добавок сильных раскислителей (алюминия, титана, циркония и др.) сульфидные включения приобретают вид пленок и цепочек, расположенных по границам кристаллитов металла шва. Введение алюминия и циркония в количествах, больших необходимого для полного раскисления стали, может вызвать превращение пленок и цепочек во включения угловатой неправильной формы.
Наиболее опасными в отношении образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются сульфидные пленки и цепочки. На рис. 6-27 показаны расположенные по границам кристаллитов низкоуглеродистого шва сульфидная пленка и цепочка сульфидных включений. Сульфидная пленка дала начало кристаллизационной трещине.
В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов. Аналогично образуются карбосульфид- ные и другие сложные сульфидные включения.
Фосфорсодержащие включения. Содержание фосфора в сварных швах на стали, как правило, невысокое — не больше 0,04— 0,06%. В швах на углеродистых и низколегированных сталях фосфор преимущественно находится в твердом растворе, а не в виде неметаллических включений. Это обусловлено низкой концентрацией фосфора в металле швов и относительно высокой его растворимостью в феррите. В связи с низкой растворимостью фосфора в аустените фосфорсодержащие включения значительно чаще встречаются в швах с аустенитной структурой. В этих включениях фосфор может находиться в виде фосфидов, фосфидных эвтектик и фосфатов.
t
Рис. 6-28. Фосфидная эвтектика и горячая трещина на границе зерен основного металла; X 800
Фосфидные включения имеют червевидную форму и располагаются по границам кристаллитов металла шва. В зависимости от направления сечения на шлифах они имеют вид межкристаллитных прослоек или включений округлой формы. Фосфидные эвтектики находятся в виде прослоек по границам кристаллитов металла шва или зерен основного металла в околошовной зоне. Фосфидная эвтектика в зоне термического влияния марганцевой аустенитной стали Г13, показанная на рис. 6-28, расположена на границе двух зерен, между которыми проходит горячая трещина.
Вредное влияние фосфора на свойства сварных соединений заключается в снижении высокотемпературных характеристик металла шва вследствие ослабления межкристаллитных границ (при выделении легкоплавких включений) и в ухудшении механических свойств швов при нормальной и низких температурах. Последнее обусловлено снижением пластичности металла в результате растворения фосфора и наличием на границах кристаллитов хрупких неметаллических прослоек. Так как растворимость фосфора в аустените ниже, чем в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин и снижения механических свойств металла шва значительно больше для швов с аустенитной структурой.
Для среднелегированных сталей вредное влияние фосфора и серы в отношении образования кристаллизационных трещин усиливается тем, что места ликвации этих элементов в металле шва совпадают. Обогащенные фосфором участки феррита лежат по границам первичных кристаллитов, где скапливаются и сульфидные включения.
Нитридные включения. В зависимости от надежности защиты зоны сварки от воздуха содержание азота в металле шва составляет 0,01—0,1%. Нитридные включения в сварных швах ветре-
264
чаются значительно реже, чем оксидные или сульфидные. Это обусловлено низким содержанием азота в швах и меньшей стойкостью нитридов при высоких температурах. Образование отдельной нитридной фазы в жидкой стали возможно лишь в присутствии сильных нитридообразующих элементов (титана, циркония). В основном нитридные включения выделяются в процессе охлаждения или термообработки сварных соединений. Для их образования необходимо наличие в металле шва сравнительно высокой концентрации азота, что возможно, например, при сварке открытой дугой без защиты или же при повышенном содержании азота в основном металле.
Обычно в связи с быстрым охлаждением и низкой концентрацией азот в металле швов фиксируется в виде твердого раствора. Если этот твердый раствор перенасыщен азотом, то при работе сварных соединений в нормальных условиях или при нагреве из него выделяются включения нитридов. Этим обусловлено так называемое старение металла шва. Ввиду малой скорости диффузии азота в твердом металле этот процесс проходит медленно.
В швах низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием азота иногда обнаруживаются иголки нитрида железа Fe4N и железонитридный эвтектоид, так называемый браунит. Нитридные иголки наблюдаются лишь в швах, сваренных на воздухе голым электродом или электродом с тонким покрытием.
§ 6-6. Прочие дефекты сварных соединений
Шлаковые каналы. Дефект представляет собой заполненную шлаком несплошность (рис. 6-29, а, б). Канал, как правило, не выходит на поверхность шва. Ширина канала совпа- даетсширинойзазорамежду свариваемыми кромками (рис. 6-29, а). Расстояние между дефектами во многих случаях равно или кратно длине сварочной ванны. Образуются шлаковые каналы главным образом при сварке под флюсом в первом проходе двусторонних стыковых швов, выполняемых на флюсовой или флюсомедной подкладках. Иногда наблюдаются при сварке односторонних швов с полным проваром кромок, значительно реже — при сварке угловых швов.
Вероятность образования дефектов возрастает с увеличением зазора. При зазоре до 3 мм дефекты подобного типа наблюдаются весьма редко. После наложения шва со второй стороны канал при малом его проникновении в толщу первого прохода полностью заваривается, а при более глубоком залегании частично остается в металле шва в виде округлого (рис. 6-29, в) или вытянутого по высоте слоя шлакового включения.
Механизм образования шлаковых каналов еще недостаточно ясен, что затрудняет изыскание рациональных путей их устранения. На практике для снижения вероятности появления шлаковых каналов обычно прибегают к тем же средствам, что и для пре-
265
Рис. 6-29. Шлаковые каналы*
a — после сварки с одной стороны — разрез поперек шва. б — то же — разрез вдоль шва, в — после сварки с двух сторон
дупреждения образования пор. Очень похожие по конфигурации, но не заполненные шлаком дефекты наблюдаются и при сварке в защитных газах и покрытыми электродами.
Флокены. После разрушения образцов, вырезанных из металла шва и испытанных на растяжение или изгиб, в изломе иногда обнаруживают серебристые пятна круглой или овальной формы, называемые флокенами и имеющие более крупнокристаллическое строение, чем остальная часть излома. В большинстве случаев по середине флокена находится пора или шлаковое включение, являющееся центром зарождения дефекта (рис. 6-30). Такой дефект получил название «рыбий глаз». Образование флокенов связано со снижением пластичности металла шва под влиянием водорода.
Швы на низколегированных хромоникелевых и хромоникелемолибденовых сталях менее стойки против образования флокенов, чем швы, сваренные на углеродистых конструкционных сталях.
В швах, сваренных на высоколеги- ! рованных хромоникелевых и марганцовистых сталях, образование подобных дефектов не наблюдается. Наличие рассматриваемых Рис. 6-30. ФлокенЙГ
Рис. 6-31. Зона несплавления при дуговой сварке
дефектов приводит к некоторому снижению пластических свойств металла образцов при статических испытаниях. Флокены могут быть устранены путем нагрева образца перед испытанием до температуры 150—250° С, что способствует более полному удалению водорода из металла. Тот же эффект достигается при длительном вылеживании образцов перед испытанием.
Флокены образуются только в процессе разрушения образцов, испытываемых непосредственно после сварки при статической нагрузке, при напряжениях, в большинстве случаев близких к временному сопротивлению металла, и при всех условиях (даже при повышенном содержании водорода в металле шва), превосходящих его предел текучести. Следовательно, нет основания предполагать, что при статическом нагружении в реальной конструкции могут создаваться условия для образования в металле шва флокенов.
Зона несплавления. При дуговой и электрошлаковой сварке в некоторых условиях образуется дефект, именуемый зоной несплавления; он характерен отсутствием сплавления между основным металлом и металлом сварочной ванны по части периметра, а иногда и по всему периметру шва (рис. 6-31, а и б). Несплавление наблюдается при оплавлении кромок основного металла и достаточном объеме металла сварочной ванны. Дефект образуется при дуговой сварке на повышенных скоростях и силах тока более 1500 А, а при электрошлаковой сварке даже в нормальном диапазоне режимов. Начальной стадией дефекта являются глубокие подрезы по границе шва с одновременным увеличением утолщения, конечной его стадией — отсутствие сплавления практически по всему периметру шва.
Образование зоны несплавления тесно связано с формированием сварочной ванны. Последнее может быть условно разделено на две стадии — образование канавки в основном металле и последующее заполнение ее металлом сварочной ванны. Если пленка расплавленного металла, покрывающая поверхность канавки,
267
к моменту ее заполнения жидким металлом успела затвердеть, а запас теплоты, накопленный в сварочной ванне, недостаточен для повторного расплавления основного металла, смачивание металлом сварочной ванны основного металла не происходит и образуется зона несплавления
Для предотвращения появления подобных дефектов прибегают к мерам, обеспечивающим уменьшение разрыва по времени между образованием и заполнением канавки (сварка на спуск, сварка наклонным электродом углом вперед, сварка двумя и тремя дугами, сварка с подогревом и др ), а также получение благоприятной формы провара. Обычно коэффициент формы шва, при котором не наблюдается образование зоны несплавления, увеличивается с возрастанием скорости сварки.
В большинстве случаев зазор, образовавшийся между основным металлом и металлом шва, заполнен затекшим туда шлаком. Зону несплавления следует отличать от непровара и подреза, имеющих другие причины появления.
Утяжины. При сварке под флюсом на больших скоростях двумя и более дугами наблюдается образование своеобразных дефектов, получивших название утяжин. Утяжины представляют собой расположенные друг от друга на расстояниях, примерно равных длине сварочной ванны, усадочные рыхлости (трещины), распространяющиеся на 2—3 мм в глубь шва и на 5—8 мм вдоль его оси. Строение утяжин совпадает со строением усадочных рыхлостей, образующихся в кратере шва. Можно предположить, что появление утяжин связано с нарушением волнообразного поступления металла в хвостовую часть ванны.
Непровары. Непроваром называют местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом или отдельными слоями при многослойном шве. В зависимости от расположения и характера различают непровар по толщине основного металла (рис. 6-32, а—в, сварка стыковых швов). При сварке стыковых швов с разделкой кромок и угловых швов с разделкой и без разделки кромок наблюдается непровар вершины угла (рис. 6-33, а, б) и непровар по кромке (рис. 6-33, в). При многослойной сварке швов всех типов изредка встречается непровар между отдельными слоями. Место непровара в большинстве случаев заполнено шлаком, который благодаря жидкотекучести и более низкой температуре плавления заполняет образовавшуюся при непроваре несплошность (рис. 6-33—6-34).
Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную концентрацию напряжений, что иногда может привести к образованию трещины (см. рис. 6-35). Непровар по толщине свариваемого металла может быть вызван неправильным выбором режима сварки, не предусматривающим достаточный запас глубины проплавления, или нарушением режима сварки в процессе выполнения данного шва (главным образом уменьшением силы тока). Причиной не-
Рис. 6-32. Непровар по толщине металла при сварке стыковых швов:
а — однослойный односторонний шов,
б — многослойный односторонний шов, в — однослойный двусторонний шов
Рис. 6-33. Непровары вершины угла (а, б) и по кромке (в)
Рис. 6-34. Непровар при сварке сты- Рис. 6-35. Трещина, берущая начало кового шва с обязательнымот непроваразазоромРис. 6-34. Непровар при сварке сты- Рис. 6-35. Трещина, берущая начало кового шва с обязательнымот непроваразазором
Рис. 6-34. Непровар при сварке сты- Рис. 6-35. Трещина, берущая начало кового шва с обязательнымот непровара
зазором
Рис. 6-34. Непровар при сварке сты- Рис. 6-35. Трещина, берущая начало кового шва с обязательнымот непровара
зазором
провара может также служить недостаточно точное направление конца электрода по месту сопряжения кромок (рис. 6-36). Довольно часто непровары наблюдаются в начале и в конце шва. Это связано с тем, что глубина провара на этом участке вследствие неустановившегося теплового процесса падает (рис. 6-37)
Неправильное возобновление процесса после его перерыва, вызванного сменой электродов и сварочной проволоки или другими причинами, приводит к непровару (рис. 6-38, а). При правильном возобновлении процесса сварки, обеспечивающем достаточное перекрытие прерванного шва последующим, непровар в большинстве случаев не наблюдается (рис.6-38,6). Для того чтобы предотвратить
непровар в начале и в конце шва, сварку следует начинать и за
канчивать на специальных выводных (концевых) планках или применять особые приемы.
К непровару^ корня шва приводят все перечисленные выше причины, а также нарушения режима сварки, обусловливающие изменение положе
ния первого слоя шва в раз-
Рис. 6-36. Непровар, возникший из-за неточного направления дуги по оси соединения
делке. Наклон изделия или резкое изменение скорости при сварке с разделкой кромок может также вызвать непровар корня шва. В этом случае жидкий металл зате
кает перед дугой, что препятствует сплавлению его с холодным
основным металлом.
Непровар по кромке обычно является следствием изменения формы шва из-за уменьшения напряжения дуги или увеличения скорости сварки. Это приводит к несовпадению формы шва или слоя с формой разделки или пространства, образовавшегося между слоями. К тому же ведет недостаточно точное направление электрода по отношению к свариваемым кромкам или слою (при этом шов смещается на одну сторону, вторая кромка или слой не оплавляются дугой), а также неправильная последовательность наложения слоев при многослойной сварке. Во всех случаях основной металл не расплавляется, в результате чего образуется непровар.
При электрошлаковой сварке наблюдаются непровары по двум кромкам (рис. 6-39, а), по одной кромке (рис. 6-39, б) и местные непровары у поверхности соединяемых элементов (рис. 6-39, в) или по середине шва. Непровар по двум кромкам вызван малой шириной шва, что связано с низким напряжением или высокой скоростью сварки. Непровар по одной кромке вызван неточным ведением электрода по оси соединения, из-за чего шов смещается на одну из кромок, а вторая кромка не оплавляется.
Непровар у поверхности свариваемых деталей возникает при увеличении расстояния от конечного положения электрода до ползуна и при малой продолжительности остановки электрода в конечном положении. Непровар по середине деталей по их толщине при сварке двумя подвижными электродами является следствием излишне большого расстояния между последними или «виляния» конца электрода из-за его перегрева. Участок шва с непроваром, превосходящим регламентируемую соответствующими техническими документами величину, должен быть удален и заварен заново.
Рис. 6-37. Уменьшение провара в начале (а) и конце (б) шва
Рис. 6-38. Конфигурация провара при неправильном (а) и правильном (б) возобновлении процесса сварки
Подрезы. Подрезом называют местное уменьшение толщины основного металла у границы шва. Подрез приводит к резкой концентрации напряжений в тех случаях, когда он расположен перпендикулярно к направлению главных напряжений, действующих на сварное соединение Для конструкций, работающих при вибрационных нагрузках, подрез существенно снижает прочность сварного соединения. Наиболее часто подрезы возникают при сварке угловых швов и первых слоев многослойных стыковых швов (рис. 6-40).
Значительно реже подрезы образуются при сварке однослойных стыковых швов с разделкой и без разделки кромок. Подрезы могут быть двусторонними, т. е. располагаться с двух сторон шва, или односторонними, т. е. располагаться с одной стороны шва. Типичными являются двусторонние подрезы. При сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки иногда наблюдается односторонний подрез с наплывом металла на горизонтально расположенную деталь (рис 6-40, в).
В большинстве случаев подрез является следствием излишне высокого напряжения дуги или недостаточно точного ведения электрода по оси соединения. В первом случае часть канавки, выплавленной дугой в основном металле, не заполняется металлом сварочной ванны Если же ширина канавки меньше, чем ширина шва, который может сформироваться при данном количестве дополнительного металла, образуется выпуклый шов (рис. 6-41). При неточном ведении электрода происходит более глубокое проплавление одной из кромок и металла сварочной ванны не хватает для полного заполнения образовавшейся канавки. При сварке наклонным электродом или вертикальным электродом с оплавлением кромки образование подреза облегчается стеканием металла
Рис. 6-39. Непровары по кромке при электрошлаковои сварке
на горизонтально расположенную деталь Образование подрезов при сварке стыковых швов без разделки кромок связано также с плохим растеканием металла.
При электрошлаковой сварке подрезы возникают на поверхности свариваемых деталей, соприкасающихся с ползунами, при повышении напряжения процесса, увеличении продолжительности остановки электрода в конечном положении и плохом охлаждении ползунов.
8 Заказ j\° 782
Рис. 6-40. Подрезы:
я — двусторонний при сварке углового шва;
б — двусторонний при сварке первого слоя многослойного стыкового шва; в — односторонний с наплывом на вторую кромку при сварке углового шва
Если размеры подреза превосходят допускаемые, острую грань его следует сглаживать механическим путем для создания плавного перехода от основного металлами металлу шва. Если глубина подреза превосходит 1—2 мм (в зависимости от толщины основного металла), то дефектный участок заваривают. Заваривать следует швом достаточного сечения. Подрезы, образовавшиеся в глубинных слоях многослойного шва, если они не были заварены при наложении последующих слоев, являются внутренним дефектом. Такие подрезы, как правило, заполнены шлаком, затекшим в образовавшуюся при подрезе полость.
Наплывы. Наплывом называют натекание металла шва на поверхность основного металла без сплавления с ним. Наплывы наблюдаются преимущественно при сварке однослойных стыковых швов без разделки кромок и при сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки и при наплавке (рис. 6-42). Наплыв, изображенный на рис. 6-42, а, иногда называют грибо- видностью. Возникают наплывы при неправильном выборе режима сварки или наличии на свариваемых кромках толстого слоя окалины.
Рис. 6-41. Выпуклый шов: а — угловой;Рис. 6-41. Выпуклый шов: а — угловой;б — стыковойб — стыковой
Рис. 6-41. Выпуклый шов: а — угловой;
Рис. 6-41. Выпуклый шов: а — угловой;
б — стыковой
б — стыковой
Рис. 6-42. Наплыв при сварке шва а — стыкового, б — углового
Для предупреждения образования наплыва следует увеличить ширину шва, повысив напряжение дуги, или уменьшить количество металла, образующего усиление. Это достигается путем размещения металла в зазоре между свариваемыми кромками или в разделке. Наплывы — это внешний дефект, но из-за натекания металла на кромку выявление их при осмотре шва затруднено. При электрошлаковой сварке наплывы образуются при неплотном поджатии ползунов и тогда, когда выемка в ползуне значительно превосходит ширину шва. В этом случае металл, заполняющий выемку, не сплавляется с холодным основным металлом. Устраняют наплывы механическим удалением избыточного металла.
Прожоги. Прожогами называют полости в шве, образовавшиеся в результате вытекания сварочной ванны. Прожоги возникают при избыточной силе тока, увеличении зазора между свариваемыми кромками, изменении положения (наклона) электрода или изделия и неплотном прилегании флюсовой, флюсомед- ной или стальной подкладки к свариваемым листам. Прожоги обнаруживаются при внешнем осмотре. Это недопустимый дефект сварного соединения. Места прожогов должны быть зачищены и заварены заново. На рис. 6-43 показан прожог, образовавшийся при выполнении однослойного шва на флюсовой подушке. Началь-
Рис. 6-43.Прожог (обратная сторона шва)Рис. 6-43.Прожог (обратная сторона шва)
Рис. 6-43.
Прожог (обратная сторона шва)
Рис. 6-43.
Прожог (обратная сторона шва)
Рис. 6-45. Трещина в кратере шваРис. 6-45. Трещина в кратере шваРис. 6-44. Провисание шва
Рис. 6-45. Трещина в кратере шва
Рис. 6-45. Трещина в кратере шва
ной стадией прожога является провисание шва, наблюдаемое при односторонней сварке (рис. 6-44). При сварке тонкого металла иногда образуются специфические дефекты, внешне похожие на прожоги, но не связанные с вытеканием сварочной ванны Природа их образования пока не выяснена.
Кратер. Кратером называют углубление, образующееся после обрыва дуги в конце шва. На участке кратера шов имеет уменьшенное сечение. В кратере, как правило, обнаруживаются усадочные рыхлости, часто переходящие в трещину (рис. 6-45). Длина кратера в зависимости от режима сварки составляет 20—200 мм. При механизированных видах сварки кратер образуется только в конце данного шва, который, как правило, выводят на выводную планку. При сварке вручную кратер возникает в конце участка шва, сваренного каждым отдельным электродом.
Для того чтобы заполнить кратер и переварить его участок, в котором возможно возникновение трещин, процесс сварки следует вести так, как это представлено на рис. 6-38, б. В особо ответственных конструкциях металл шва на участке кратера следует удалять механическим путем или выплавлять. Если сварку вручную ведут без выводных планок, то кратер в конце шва необходимо тщательно заваривать и обрывать дугу на заваренном участке шва. Не следует выводить кратер на основной металл, так как это приводит к образованию подрезов и ожогов.
Шлаковые включения. Шлаковыми включениями называют видимые невооруженным глазом округлые или вытянутые включения шлака, расположенные в металле шва как у границы сплавления, так и между отдельными слоями или в вершине провара. Они обычно образуются в результате заполнения сварочным шлаком цесплошностей, возникающих при непроварах или подрезах.
"При многопроходной дуговой
сварке шлаковые включения иногда обнаруживаются на участках, где недостаточно тщательно была выпол-
Рис. 6-46. Ожоги на поверхности основною металла
йена очистка поверхности предыдущего слоя от шлаковой корки. Значительно реже шлаковые включения образуются в сечении однослойного шва или отдельного слоя.
Шлаковые включения относятся к внутренним дефектам шва. Участки шва, где их величина превышает допускаемую техническими условиями на данный вид продукции, вырубают и заваривают заново.
Ожоги. Ожогами называют небольшие участки подвергавшегося расплавлению металла на основном металле вне сварного шва (рис. 6-46). Эти участки обладают пониженной пластичностью. Возникаю! ожоги в результате возбуждения дуги с целью освобождения конца электрода от обмазки, при контакте поверхности находящегося под напряжением держателя с изделием и при выводе кратера за пределы шва на основной металл. Ожоги относятся к внешним дефектам.
Неравномерность ширины шва. Ширина шва обычно изменяется в результате резких колебаний напряжения дуги или скорости сварки. Значительные изменения ширины шва сопровождаются изменением глубины проплавления, что может привести к непровару.
§ 6-7. Влияние технологических дефектов на прочность сварных соединений
при статических и переменных нагрузках
Опыт эксплуатации сварных конструкций показывает, что технологические дефекты могут существенно снижать работоспособность сварных соединений. В конструкциях, работающих в условиях статического нагружения, дефекты нередко становятся очагами хрупких трещин, возникающих при низких уровнях рабочих напряжений (страз < от), а в конструкциях, работающих при переменных нагрузках, они снижают предел выносливости сварных соединений. Механизм влияния дефектов на прочность в обоих случаях различен, в связи с чем влияние дефектов на прочность в условиях статического и динамического нагружения рассмотрено отдельно.
Влияние дефектов на статическую прочность сварных соединений. Острые трещиноподобные дефекты (трещины, непровары, несплавления, подрезы) нередко становятся очагами хрупких разрушений. Вместе с тем далеко не каждый дефект представляет опасность в этом отношении. Для определения надежности сварных конструкций и установления требований, предъявляемых к качеству сварных соединений, необходимо располагать сведениями о влиянии наиболее вероятных дефектов на прочность соединений в условиях, близких к реальным.
Принято считать, что дефекты ослабляют рабочее сечение соединений, вызывают в них концентрацию напряжений и объемность напряженного состояния. При этом полагают, что механиче-
277
, Рис. 6-47. Влияние температуры на прочность \сварных швов с малым плоским де
фектом (ад. р — разрушающие на/пряжения по сечению брутто; ан. т —
Iто же по сечению нетто):
/а — металл шва в исходном состоянии:
Iб — металл охрупчен
ские свойства материала в зоне дефекта ।!._ изменяются незначительно. При такой
-too -60°C ситуации реальную угрозу для конст
рукций, работающих в условиях естественно низких температур (до —60° С), могут представлять дефекты относительно больших размеров. Другими словами, когда материал сварного соединения обладает большим запасом
вязкости, основное влияние на прочность оказывает относительная величина дефекта. Это подтверждается целым рядом исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом.
При более низких температурах картина существенно изменяется: основным фактором, определяющим прочность, становится интенсивность напряжений в зоне дефекта. Зависимость величины номинальных разрушающих напряжений от температуры в этом случае можно представить таким образом: при положительных и естественно низких температурах (вплоть до —60° С) разрушения имеют вязкий и квазихрупкий характер, а разрушающие напряжения превышают величину предела текучести материала.
В дальнейшем, по мере снижения температуры, вязкость материала продолжает уменьшаться, и в конце концов наступает момент, когда релаксация напряжений у вершины дефекта становится невозможной. В этих условиях хрупкая трещина возникает и распространяется при низком уровне номинальных напряжений (рис. 6-47, кривая а\ Температура, при которой начинает наблюдаться это явление, называется нижней критической. Она зависит от ряда факторов и прежде всего от пластических свойств металла шва.
Казалось бы, при естественно низких температурах не следует опасаться дефектов относительно малых размеров, однако практика показывает, что хрупкие разрушения от таких дефектов все же наблюдаются. Достаточно сказать, что почти 40% разрушений транспортных судов США периода военной постройки начинались от технологических дефектов швов и, что характерно, очагом этих разрушений часто были очень малые дефекты. Подобные разрушения свидетельствуют о существовании других факторов, способствующих повышению чувствительности металла швов к технологическим дефектам. Схематически это влияние можно представить изменением положения нижней критической температуры (рис. 6-47, кривая б), соответствующей резкому снижению прочности сварного соединения.
Вероятно, это связано с Тем, что Локальные механические свойства материала в зонах дефектов претерпевают изменения. Наиболее часто эти изменения связаны с деформационным старением стали, значительно снижающим ее сопротивление возникновению хрупкой трещины. Иногда уменьшение вязкости материала обусловлено водородным охрупчиванием. В связи с этим рассмотрим наиболее характерные условия, способствующие локальному охрупчиванию швов в зоне дефектов, и их влияние на прочность сварных соединений.
Влияние предварительного нагружения. Ухудшение пластических свойств стали у вершин дефекта на практике может быть связано с естественным старением металла в зонах концентрации пластических деформаций, возникающих при предварительной перегрузке конструкций. Характерным примером может служить экспандирование сварных труб, когда общие деформации сравнительно невелики (1,2—1,6%), в то время как местные деформации могут достичь значительной величины (10% и более).
В качестве примера на рис. 6-48 показана зависимость величины номинальных разрушающих напряжений от температуры, полученная при испытании образцов-пластин из стали ВСтЗсп (рис. 6-49) со стыковыми швами, выполненными электродами ОММ5. Примерно одинаковые размеры непроваров в этих образцах обеспечивались увеличением притупления кромок в центральной части пластин. Охрупчивание металла вследствие пластического деформирования и последующего старения стали повышает чувствительность сварного соединения к технологическим дефектам и увеличивает опасность образования разрушений от них.
Влияние термопластических деформаций. Во время остывания сварного соединения в зоне дефекта могут возникать термопластические деформации, вызывающие динамическое старение металла. В результате происходит локальное охрупчивание и, как следствие, снижение сопротивляемости металла возникновению хрупких трещин. Подобные условия наблюдаются, например, в том случае, когда дефект расположен на участке замыкания кольцевых швов или ступеней при обратноступенчатой сварке. Наряду с протеканием термопластических деформаций в подобных случаях возникают и высокие растягивающие остаточные напряжения. Более опасными с точки зрения возникновения хрупких разрушений являются непровары, подвергающиеся повторному нагреву.
В качестве примера на рис. 6-50 представлены результаты испытания двух серий образцов из стали ВСтЗсп с непроварами в поперечном стыковом шве, выполненном электродами ОММ5. Образцы первой серии сварены напроход, в образцах второй серии первоначально сварены крайние участки шва, а после их остывания — средний участок (см. рис. 6-49). Прочность образцов в случае сварки напроход оказалась достаточно высокой во всем диапазоне температур испытаний (включая —60° С), а в случае
6T, ^(мм^
Рис. 6-48. Зависимость разрушающих напряжений от температуры испытания образцов:
а — со сквозным надрезом;— с внутренним непроваром;
/ — образцы не подвергались предварительной обработке,
2 — образцы после общей деформации растяжением на 0,4% и последующего искусственного старения при температуре 250° С в течение 2 ч;
2' — образцы после общей деформации растяжением на 2 — 2,2% и последующего старения при температуре 250° С в течение 2 ч,
3 — о металла шва при комнатной температуре
секционного выполнения швов резкое уменьшение прочности наблюдалось уже при температуре —20° С. Это можно объяснить охрупчиванием металла в зоне дефекта, связанным со старением стали, сопутствующим протеканию термопластических деформаций, и действием высоких растягивающих остаточных напряжений.
Влияние водородного охрупчивания. В процессе сварки нередко происходит обогащение сварных соединений водородом. Интенсивность этого процесса зависит от стечения ряда обстоятельств, среди которых особую роль играет пластическое деформирование металла. В подобных условиях поглощаемость водорода сталью возрастает почти в 100 раз. В связи с этим охрупчивание стали у вершин дефектов-концентраторов термопластических деформаций может усугубляться водородным охрупчиванием.
Данные, полученные при испытании образцов, показанных на рис. 6-49, свидетельствуют о том, что увеличение содержания водорода в шве существенно повышает чувствительность соединения к непровару (рис. 6-51). Образцы изготовляли из стали 09Г2С с непроварами в доперечном стыковом шве, выполненном секционно электродами УОНИ-13/55. Прочность обогащенных водородом соединений (сварка осуществлялась электродами с увлажненным покрытием) значительно снижалась уже при температуре —15° С, в то время как прочность соединений, выполненных просушенными электродами, оказалась достаточно высокой во всем диапазоне естественно низких температур.
сборки
Влияние охрупчивания, связанного с увеличением содержания углерода в швах. При сварке среднеуглеродистых сталей наблюдаются случаи повышения содержания углерода в металле швов, в частности при некачественной очистке кромок после воздушнодуговой резки угольным электродом. С повышением содержания углерода уменьшается вязкость металла, и можно ожидать, что чувствительность швов к технологическим дефектам в этом случае будет повышенной. Испытания образцов из стали 17ГС с острым искусственным надрезом в поперечном стыковом шве (см. рис. 6-49), сваренном специальными электродами, подтвердили такое предположение. С увеличением содержания углерода чувствительность шва к острым концентраторам напряжений возрастает (рис. 6-52). Это проявляется как в повышении температуры, соответствующей переходу металла из вязкого в хрупкое состояние, так и в повышении критической температуры, при которой прочность сварного соединения начинает резко снижаться.
Так обстоит дело, если сварные соединения, включающие острые трещинообразные дефекты, работают в условиях статического нагружения при положительных и естественно низких температурах. Что касается других дефектов, таких как поры и шлаковые
281
несплавления и трещины создают значительную концентрацию напряжений и снижают долговечность соединений. При определенных условиях дефекты типа пор и шлаковых включений, не опасных при статическом нагружении, могут вызвать преждевременные усталостные разрушения. Ниже приведены данныенесплавления и трещины создают значительную концентрацию напряжений и снижают долговечность соединений. При определенных условиях дефекты типа пор и шлаковых включений, не опасных при статическом нагружении, могут вызвать преждевременные усталостные разрушения. Ниже приведены данныеРис. 6-51.Зависимость прочности от температуры образцов с внутренним непроваром, выполненных секционной сваркой:Рис. 6-51.Зависимость прочности от температуры образцов с внутренним непроваром, выполненных секционной сваркой:а — электродами УОНИ-13/55, просушенными перед сваркой;б — электродами с увлажненным покрытием;в — предел текучести металла шва при комнатной температуреа — электродами УОНИ-13/55, просушенными перед сваркой;б — электродами с увлажненным покрытием;в — предел текучести металла шва при комнатной температуре
несплавления и трещины создают значительную концентрацию напряжений и снижают долговечность соединений. При определенных условиях дефекты типа пор и шлаковых включений, не опасных при статическом нагружении, могут вызвать преждевременные усталостные разрушения. Ниже приведены данные
несплавления и трещины создают значительную концентрацию напряжений и снижают долговечность соединений. При определенных условиях дефекты типа пор и шлаковых включений, не опасных при статическом нагружении, могут вызвать преждевременные усталостные разрушения. Ниже приведены данные
Рис. 6-51.
Зависимость прочности от температуры образцов с внутренним непроваром, выполненных секционной сваркой:
Рис. 6-51.
Зависимость прочности от температуры образцов с внутренним непроваром, выполненных секционной сваркой:
а — электродами УОНИ-13/55, просушенными перед сваркой;
б — электродами с увлажненным покрытием;
в — предел текучести металла шва при комнатной температуре
а — электродами УОНИ-13/55, просушенными перед сваркой;
б — электродами с увлажненным покрытием;
в — предел текучести металла шва при комнатной температуре
Рис. 6-50.
Зависимость прочности от температуры испытания образцов: а — с внутренним непроваром в шве, выполненном напро- ход,
б — то же при секционной сварке; в — предел текучести металла шва при комнатной температуре
включения, их влияние на прочность становится существенным только при значительном ослаблении рабочего сечения или при
значительном уменьшении пластичности сварных соединений.
Влияние дефектов на усталостную прочность сварных соединений. При значительных переменных напряжениях прочность сварных соединений определяется их сопротивлением усталостным разрушениям. Последние обычно характеризуются пределом выносливости, который зависит от концентрации напряжений, создаваемой формой соединения или дефектом сварки, от величины и знака остаточных напряжений, а также от свойств применяемых материалов. Технологические дефекты — подрезы, непровары,
Рис. 6-52.
Зависимость величины номинальных разрушающих напряжений от температуры образцов со сквозным надрезом при содержании углерода в шве:
а — 0,10%;
6 — 0,18%;
в — 0,30%;
г — ат металла шва при 20° С
Глубина непровараГлубина непровараРис. 6-53.Влияние глубины непровара на предел выносливости стыковых соединений:Рис. 6-53.Влияние глубины непровара на предел выносливости стыковых соединений:а — непровар в швах с Х-образной разделкой на стали СтЗ, 6 = = 18 мм; испытания на растяжение при г = 0,2;б — непровар в корне стыкового шва образцов из стали СтЗ; испытания на изгиб при сим метричном циклеа — непровар в швах с Х-образной разделкой на стали СтЗ, 6 = = 18 мм; испытания на растяжение при г = 0,2;б — непровар в корне стыкового шва образцов из стали СтЗ; испытания на изгиб при сим метричном циклеРис. 6-54.Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стыковых соединений с непроваром при пульсирующих циклах, сталь 09Г2С, электроды УОНИ-13/45:Рис. 6-54.Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стыковых соединений с непроваром при пульсирующих циклах, сталь 09Г2С, электроды УОНИ-13/45:
Глубина непровара
Глубина непровара
Рис. 6-53.
Влияние глубины непровара на предел выносливости стыковых соединений:
Рис. 6-53.
Влияние глубины непровара на предел выносливости стыковых соединений:
а — непровар в швах с Х-образной разделкой на стали СтЗ, 6 = = 18 мм; испытания на растяжение при г = 0,2;
б — непровар в корне стыкового шва образцов из стали СтЗ; испытания на изгиб при сим метричном цикле
а — непровар в швах с Х-образной разделкой на стали СтЗ, 6 = = 18 мм; испытания на растяжение при г = 0,2;
б — непровар в корне стыкового шва образцов из стали СтЗ; испытания на изгиб при сим метричном цикле
Рис. 6-54.
Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стыковых соединений с непроваром при пульсирующих циклах, сталь 09Г2С, электроды УОНИ-13/45:
Рис. 6-54.
Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стыковых соединений с непроваром при пульсирующих циклах, сталь 09Г2С, электроды УОНИ-13/45:
О влиянии непроваров, подрезов и пор на усталостную прочность сварных соединений с учетом упомянутых факторов.
Влияние непроваров. Непровары создают резкую концентрацию напряжений и вызывают существенное снижение выносливости стыковых соединений. Так, например, составляя всего 10% толщины сечения, непровар может понизить усталостную прочность соединения наполовину, а при глубоких непроварах, занимающих 40—50% толщины шва, пределы выносливости для стали снижаются, например, с 15 до 6,0 кгс/мм2 (рис. 6-53). Долговечность возрастает с уменьшением глубины непровара и увеличением радиуса его вершины.
Дополнительное влияние могут оказывать остаточные напряжения. Один и тот же дефект по-разному изменяет усталостную прочность соединения в зависимости от того, в каком поле остаточных напряжений он находится. Располагаясь в поле сжимающих остаточных напряжений, непровар в меньшей степени снижает усталостную прочность по сравнению с тем случаем, когда он находится в поле растягивающих остаточных напряжений (рис. 6-54).
Совпадение места залегания непровара с участком поля высоких растягивающих остаточных напряжений приводит к дальнейшему снижению усталостной прочности. Пределы выносливости стыкового соединения на сталях снижаются до 5,0 кгс/мм2 при
пульсирующих напряжениях и до 2,5 кгс/мм2 при знакопеременных напряжениях. В этом случае
а — непровар расположен в поле сжимающих остаточных напряжений, равных 8 — 11 кгс/мм2;
б — непровар расположен в поле растягивающих остаточных напряжений, равных 1—5 кгс/мм2,
в — непровар расположен в поле высоких растягивающих остаточных напряжений свыше 16 кгс/мм2а
влияние размеров дефекта несущественно. Малый непровар становится столь же опасным, как и большой (рис. 6-55).
При прочих равных условиях сопротивление дефектных соединений усталостным разрушениям предопределяется свойствами металла шва и, в частности, содержанием в нем остаточного водорода. В этой связи предпочтения заслуживают электроды с основным покрытием или другие сварочные материалы, обеспечивающие низкое содержание водорода в металле шва.
Иллюстрацией могут служить результаты испытания однотипных образцов, сваренных электродами 48Н-1 и УОНИ-13/45 с основным покрытием и электродами АНО-4 с рутил-карбонатным покрытием. Стыковые образцы в средней части шва имели непровары глубиной 5 мм и протяженностью 50 мм. Соединения, выполненные электродами с основным покрытием, имеют более высокий предел выносливости, чем сваренные электродами с рутил- карбонатным покрытием, хотя данные на рис. 6-56 для электродов 48Н-1 несколько завышены. Этот эффект следует использовать с целью увеличения долговечности и предотвращения преждевременных усталостных разрушений сварных соединений, если в них нельзя гарантировать отсутствия дефектов.
Рис. 6-56. Влияние свойств металла шва на предел выносливости стыковых соединений с непроварами:
а — электроды 48Н-1, класс Э60А;в — электроды АНО-4
б — электроды УОНИ-13/45;
Подрезы. Усталостная прочность швов с подрезами зависит от глубины подреза, уровня остаточной напряженности и вида соединения. В случае стыковых соединений влияния концентрации напряжений и остаточных напряжений могут быть соизмеримыми. На рис. 6-57 приведены результаты испытания образцов с подрезами различной глубины, расположенными в зонах высокой и сравнительно низкой остаточной напряженности. Под влиянием изменения глубины подреза с 1—1,5 мм до 2—3,5 мм предел выносливости снижается дополнительно на 15%. Падение предела выносливости такого же порядка наблюдалось и в результате изменения растягивающих остаточных напряжений с 5,0 до 20 кгс/мм2. Суммарное влияние этих факторов может привести к снижению предела выносливости соединения вдвое.
Поры. Для проявления влияния пор существенное значение имеет вид соединения. В длинных продольных швах растягивающие остаточные напряжения достигают обычно предельных значений и пора может быть единственным концентратором напряжений. Такое сочетание может оказаться более опасным, чем нахождение поры в коротких поперечных швах, поскольку остаточные напряжения в них невелики. В этой связи поры становятся очагами усталостных разрушений чаще всего в соединительных угловых и стыковых швах, а также в поперечных стыках на участках высоких растягивающих остаточных напряжений. В то же время пористость практически не влияет на выносливость нахлесточных соединений, форма которых и без того создает высокую концентрацию напряжений. Размеры пор играют меньшую роль в изменении долговечности сварного соединения, чем место нахождения поры. Внутренние поры опаснее выходящих на поверхность.
Предел выносливости швов с порами на участках высоких растягивающих остаточных напряжений составляет 11 кгс/мм2 при пульсирующем цикле и 5 кгс/мм2 при симметричном цикле (стали низкоуглеродистые и низколегированные).
Сварочные материалыСварочные материалы
Сварочные материалы
Сварочные материалы
Сварочными или присадочными называются материалы, обеспечивающие возможность протекания сварочных процессов и получение качественного сварного соединения. При электрической сварке плавлением применяются сварочные материалы различной формы, состава и назначения. Рассмотрим наиболее широко применяемые из них.
§ 7-1. Сварочные проволоки, стержни и пластины
Сварочные проволоки, а также плавящиеся и непла- вящиеся электродные стержни другой формы служат для подвода электрического тока в зону сварки. Кроме того, сварочные проволоки, плавящиеся электродные стержни, пластины и ленты, расплавляясь в процессе сварки, служат дополнительным металлом, участвующим в образовании шва.
Стальные сварочные проволоки. При дуговой сварке под флюсом и в защитных газах, а также при электрошлаковой сварке применяют сварочную проволоку без покрытия, так называемую голую сварочную проволоку. Для ручной дуговой сварки проволоку рубят на стержни длиной 350—400 мм, затем на их поверхность наносят покрытие. Плавящийся электродный стержень с нанесенным на его поверхность покрытием называют сварочным электродом (см. § 41). При сварке цветных металлов, чугуна и в некоторых специальных случаях применяют также литые электродные стержни.
Поверхность сварочной проволоки должна быть чистой и гладкой, без окалины, ржавчины, масла и других загрязнений. По виду поверхности проволока подразделяется на неомедненную и омедненную. Омеднение поверхности проволоки улучшает электрический контакт между проволокой и токо-
286
подводящим устройством, а также снижает возможность ее ржавления. Для предотвращения загрязнения проволоку упаковывают в водонепроницаемую бумагу. Обернутые в бумагу мотки, бухты или катушки проволоки упаковывают при диаметре проволоки 0,3—0,8 мм в жесткую тару, выложенную слоем водонепроницаемой бумаги; при диаметре проволоки более 0,8 мм— в полимерную или полиэтиленовую пленку или же в тарную ткань.
Сварочную проволоку следует транспортировать в чистых крытых вагонах, контейнерах или автофургонах, предохраняющих ее от загрязнения и воздействия атмосферных осадков. Хранить ее необходимо в сухом, закрытом помещении в условиях, не допускающих ее ржавления, загрязнения и механических повреждений. В случае загрязнения сварочной проволоки ее очищают опескоструиванием, травлением или протягиванием через очистные устройства. Каждая партия проволоки снабжена сертификатом завода-изготовителя, в котором указаны марка проволоки, результаты химического анализа и других испытаний, масса и номер партии и т. д.
Стальную сварочную проволоку изготовляют по ГОСТ 2246—70 и по специальным техническим условиям. В зависимости от химического состава проволока, выпускаемая по ГОСТ 2246—70, разделяется на низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную. Всего в этот ГОСТ включено 77 марок сварочной проволоки диаметром 0,3—12 мм. Проволока диаметром до 5 мм включительно предназначена для механизированных способов сварки, поставляется в мотках прямоугольного сечения, пригодных для непосредственного (без перемотки) использования в сварочных автоматах и полуавтоматах. Размеры мотков в зависимости от диаметра проволоки должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 7-1.
В условные обозначения марок проволоки входит индекс Св (сварочная) и следующие за ним цифры и буквы. Цифры, следующие за индексом Св, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так же, как и при обозначении марок стали, легирующие элементы, входящие в состав проволок, обозначены буквами в соответствии с табл. 7-2.
Таблица 7-1
Размеры мотков проволоки для механизированной сварки
Размеры мотков, мм
Диаметр проволоки, мм
0,8—1,6
1,6—2,0
2,0—3,0
3,0
1,6—5,0
Наружный диаметр.
175
250
320
320
600
Внутренний диаметр
100
175
220
260
400
Высота
50
85
85
90
90
Таблица 7-2
Условные обозначения легирующих элементов
Элемент
Условное обозначение элемента при маркировке проволоки
Элемент
Условное обозначение элемента при маркировке проволоки
1 Элемент
Условное обозначение элемента при маркировке проволоки
Азот
А *
Кобальт
к
Никель
н
Алюминий
Ю
Кремний
с
Ниобий
Б
Бор
Р
Марганец
г
Селен
Е
Ванадий
Ф
Медь
д
Титан
Т
Вольфрам
В
Молибден
м
Хром
X
* Только в высоколегированных проволоках. Ставить в конце обозначения марки не допускается.
Цифры, следующие за буквенными обозначениями химических элементов, указывают среднее содержание элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента менее 1%, то ставится только соответствующая буква. Буква А на конце условных обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволок указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. В проволоке марки Св-08АА содержится не более 0,02% S и не более 0,02% Р. Условное обозначение сварочной проволоки состоит из цифры, обозначающей диаметр проволоки в миллиметрах, букв Св, условного обозначения марки проволоки и номера ГОСТа. Например, проволока сварочная диаметром 3 мм марки Св-08А, предназначенная для сварки (наплавки), с неомед- ненной поверхностью: проволока 3 Св-08А ГОСТ 2246—70.
Если проволока поставляется с омедненной поверхностью, то после марки проволоки ставится буква О. Буква Э обозначает, что проволока предназначена для изготовления электродов. Буквы Ш, ВД или ВИ обозначают, что проволока изготовлена цз стали, выплавленной электрошлаковым или вакуумнодуговым переплавом или же в вакуумноиндукционных печах.
Проволоки Св-08, Св-08А и Св-08АА изготовляют из кипящей стали. Остальные три марки низкоуглеродистой сварочной проволоки изготовляют из полуспокойной стали. Как видно из табл. 7-3, низкоуглеродистые сварочные проволоки в основном отличаются друг от друга содержанием марганца, серы и фосфора.
В сварочных легированных проволоках может содержаться до шести легирующих элементов, а их общее количество достигает 6% (табл. 7-4). Эти проволоки применяют для различных видов сварки углеродистых и легированных сталей. Так, например, их можно использовать для изготовления электродных
Таблица 7-3
Состав низкоуглеродистых сварочных проволок (ГОСТ 2246—70), %
Марка
С
Si
Сг
N1
S
р
проволоки
не более
не более
Св-08
0,10
0,35—0,60
0,03
0,15
0,30
0,040
0,040
0,01
Св-08А
0,10
0,35—0,60
0,03
0,12
0,25
0,030
0,030
0,01
Св-08АА
0,10
0,35—0,60
0,03
0,10
0,25
0,020
0,020
0,01
Св-ОЗГА
0,10
0,80—1,10
0,03
0,10
0,25
0,025
0,030
Св-ЮГА
0,12
1,10—1,40
0,03
0,20
0,30
0,025
0,030
—
Св-10Г2
0,12
1,50—1,90
0,03
0,20
0,30
0,030
0,030
—
стержней, сварки в защитных газах и под флюсом. Проволоки Св-15ГСТЮЦА и Св-20ГСТЮА применяют для дуговой сварки без дополнительной защиты. Проволоки, легированные кремнием и марганцем (Св-08Г2С, Св-08ГС), применяют для сварки конструкционных сталей в окислительных защитных газах. Проволоки Св-08ХНМ, Св-08ХН2М, Св-08ХМФА, Св-08ХГСМФА и другие, комплексно легированные хромом, молибденом, никелем, кремнием и ванадием, применяют для сварки низколегированных высокопрочных сталей. Проволоки других марок используют для сварки сталей сходного с ними состава и для наплавочных работ.
При содержании в проволоке легирующих элементов более 6% ее относят к высоколегированным (табл. 10-23 и 10-24). Высоколегированные аустенитные и ферритные проволоки применяют для сварки нержавеющих, жаростойких и других специальных сталей различного состава. Аустенитная проволока после волочения сильно нагартовывается и обладает большой жесткостью. Это облегчает подачу проволоки диаметром 2—3 мм по гибким шлангам при полуавтоматической сварке, но весьма затрудняет работу с проволокой большого диаметра. При автоматической сварке наклепанной аустенитной проволокой диаметром 4—6 мм ее следует предварительно подвергнуть термообработке. В зависимости от состава проволоки и степени наклепа термообработка может заключаться или в отжиге, или в закалке.
Проволока для сварки алюминия и его сплавов. Сварочные проволоки сплошного сечения поставляют по ГОСТ 7871—63 (табл. 7-5). Проволока из алюминия и его сплавов бывает тянутой или прессованной, диаметром 0,8—12 мм. Тянутую проволоку поставляют в нагартованном состоянии в бухтах, проволоку горячепрессованную —■ в бухтах или прутках не короче 3 м. Размеры и масса мотков должны соответствовать данным табл. 7-6.
Проволоку поставляют с консервирующей смазкой. Ее следует хранить и транспортировать в условиях, предотвращающих
19 Заказ № 782 289
Марка проволоки
С
Мп
Si
Сг
Ni
Мо
S
р
Другие элементы
не б
олее
Св-08ГС
<0,10
1,40—1,70
0,65—0,85
<0,20
<0,25
0,025
0,030
—
Св-12ГС
<0,14
0,80—1,10
0,60—0,90
<0,20
<0,30
_
0,025
0,030
—
Св-08Г2С
0,05-0,11
1,80—2,10
0,70—0,95
<0,20
<0,25
—
0,025
0,030
—
Св-ЮГН
<0,12
0,90—1,20
0,15—0,35
<0,20
0,90—1,20
—
0,025
0,030
—
Св-08ГСМТ
0,06—0,11
1,00—1,30
0,40—0,70
<0,30
<0,30
0,20—0,40
0,025
0,030
0,05—
0,12 Ti
Св-15ГСТЮЦА
0,12—0,18
0,60—1,00
0,45—0,85
<0,30
<0,40
—
0,025
0,025
0,20— 0,50 Al, 0,05— 0,15 Zr, не менее 0,40 Се
Св-20ГСТЮА
0,12—0,18
0,60—1,00
0,45—0,85
<0,30
<0,40
—
0,025
0,025
0,Io- О.20 Т1, 0,20— 0,50 А1, 0,30— 0,45 Се
Св-18ХГС
0,15—0,22
0,80—1,10
0,90—1,20
0,80—1,10
<0,30
—
0,025
0,030
—
290
Таблица 7-4
Состав легированных сварочных проволок (ГОСТ 2246—70), %
Продолжение табл. 7-4
Марка проволоки
С
Мп
Si
Сг
N1
Мо
S
р
Другие элементы
не
юлее
Св-ЮНМА
0,07—0,12
0,40—0,70
0,12—0,35
<0,20
1,00—1,50
0,40—0,55
0,025
0,020
—
Св-08МХ
0,06—0,10
0,35—0,60
0,12—0,30
0,45—0,65
<0,30
0,40—0,60
0,025
0,030
—
Св-08ХНМ
<0,10
0,50—0,80
0,12—0,35
0,70—0,90
0,80—1,20
0,25—0,45
0,025
0,030
—
Св-08ХМФА
0,06—0,10
0,35—0,60
0,12—0,30
0,90—1,20
<0,30
0,50—0,70
0,025
0,025
0,15—
( 0,30 V
Св-ЮХМФТ
0,07—0,12
0,40—0,70
<0,35
1,40—1,80
<0,30
0,40—0,60
0,030
0,030
0,05—
0,12 Ti 0,20— 0,35 V
Св-08ХГ2С
0,05—0,11
1,70—2,10
0,70—0,95
0,70—1,00
<0,25
—
0,025
0,030
—
Св-08ХГСМА
0,06—0,10
1,15—1,45
0,45—0,70
0,85—1,15
<0,30
0,40—0,60
0,025
0,025
—
Св-10ХГ2СМА
0,07—0,12
1,70—2,10
0,60—0,90
0,80—1,10
<0,30
0,40—0,60
0,025
0,025
—
Св-08ХГСМФА
0,06—0,10
1,20—1,50
0,45—0,70
0,95—1,25
<0,30
0,50—0,70
0,025
0,025
0,20—
0,35 V
Св-08ХН2М
<0,10
0,55—0,85
0,12—0,30
0,70—1,00
1,40—1,80
0,20—0,40
0,025
0,030
—
Св-ОбНЗ
<0,08
0,40—0,70
<0,30
<0,30
3,00—3,50
—
0,025
0,030
—
Св-10Х5М
<0,12
0,40—0,70
0,12—0,35
4,00—5,50
<0,30
0,40—0,60
0,025
0,030
нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.Таблица 7-6Размеры и масса мотков алюминиевой проволокиТаблица 7-6Размеры и масса мотков алюминиевой проволокиДиаметр проволоки, ммВнутренний диаметр мотка, ммМасса мотка проволоки, не более0,8150—3001,51,0—2,2250—400102,5—3,5350—500254.0—6,0<600407,0—12,0<75040Диаметр проволоки, ммВнутренний диаметр мотка, ммМасса мотка проволоки, не более0,8150—3001,51,0—2,2250—400102,5—3,5350—500254.0—6,0<600407,0—12,0<75040Проволока для сварки меди и ее сплавов (табл. 7-7). Для сварки под флюсом применяют проволоки МТ, Бр.Х0,7 и Бр.ХТ0,6-0,5, для газоэлектрической сварки — проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2и Бр.НМцЗ-1.Проволока для сварки титана и его сплавов. Сварочные проволоки изготовляют из титановых сплавов различного состава и поставляют по ведомственным техническим условиям. Для сварки титана используют проволоку из сплаваПроволока для сварки меди и ее сплавов (табл. 7-7). Для сварки под флюсом применяют проволоки МТ, Бр.Х0,7 и Бр.ХТ0,6-0,5, для газоэлектрической сварки — проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2и Бр.НМцЗ-1.Проволока для сварки титана и его сплавов. Сварочные проволоки изготовляют из титановых сплавов различного состава и поставляют по ведомственным техническим условиям. Для сварки титана используют проволоку из сплаваТаблица 7-5
нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.
нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.
Таблица 7-6
Размеры и масса мотков алюминиевой проволоки
Таблица 7-6
Размеры и масса мотков алюминиевой проволоки
Диаметр проволоки, мм
Внутренний диаметр мотка, мм
Масса мотка проволоки, не более
0,8
150—300
1,5
1,0—2,2
250—400
10
2,5—3,5
350—500
25
4.0—6,0
<600
40
7,0—12,0
<750
40
Диаметр проволоки, мм
Внутренний диаметр мотка, мм
Масса мотка проволоки, не более
0,8
150—300
1,5
1,0—2,2
250—400
10
2,5—3,5
350—500
25
4.0—6,0
<600
40
7,0—12,0
<750
40
Проволока для сварки меди и ее сплавов (табл. 7-7). Для сварки под флюсом применяют проволоки МТ, Бр.Х0,7 и Бр.ХТ0,6-0,5, для газоэлектрической сварки — проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2и Бр.НМцЗ-1.
Проволока для сварки титана и его сплавов. Сварочные проволоки изготовляют из титановых сплавов различного состава и поставляют по ведомственным техническим условиям. Для сварки титана используют проволоку из сплава
Проволока для сварки меди и ее сплавов (табл. 7-7). Для сварки под флюсом применяют проволоки МТ, Бр.Х0,7 и Бр.ХТ0,6-0,5, для газоэлектрической сварки — проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2и Бр.НМцЗ-1.
Проволока для сварки титана и его сплавов. Сварочные проволоки изготовляют из титановых сплавов различного состава и поставляют по ведомственным техническим условиям. Для сварки титана используют проволоку из сплава
Состав проволок для сварки йлюмйнйя й его Сплавов, %
Марка проволоки
А1
Mg
Мп
Fe
Si
СвАВОО
СвА-1
СвАМц
СвАМгб СвАМгб СвАМг? СвАНб
Св АН 10
Св АН 12
<99,97
<99,5
6=0,05
4,8—5,8
5,8—6,8
6,5—7,5
<0,10
1,0—1,5 0,5-0,8 0,5—0,8 0,5—0,8
<0,015 0,20—0,35 0,3—0,50
<0,4
<0,4
<0,4
<0,6
<0,6
<0,3
<0,015 0,10—0,35
0,2—0,4
<0,4 6=0,4 6=0,4
4,5—6,0 7,0—10,0
11,5—13,5
Остальное
Марка проволоки
Ti
Be
Zr
Примеси не более, %
Zn
Си
s У о s С с
§ 2
2 s
О С
СвАВОО
СвА-1
СвАМц СвАМгб СвАМгб СвАМг7 СвАНб
СвАНЮ
СвАН12
0,1—0,2 0,1—0,2
0,002—0,005 0,002—0,005 0,002—0,005
0,2—0,4
0,05—0,25
0,1 0,2 0,2
Zn-|-Sn 0,1 Zn-j-Sn 0,2
0,005 0,015
0,2
0,05
0,1
0,2
0,1
0,2
0,01 0,05 0,1 0,1 0,1
0,1
0,1
0,1
0,08 0,5 1,35 1,4 1,2
1,0
1,1
0,6
Таблица 1-1
Состав проволок для механизированной сварки мёДи и хромовой бронзы, %
Марка проволоки
Сг
Ti
NI
Fe
мт
Бр.Х0,7
0,4—0,9
—
—
Бр.ХТ0,6-0,5
0,4—0,8
0,4—0,6
—
—
МНЖКТ5-1-0,2-0,2
—
0,1—0,3
5,0—6,5
1,0—1,4
Бр.КМцЗ-1
—•
—•
—
Марка проволоки
Si
Мп
Си
примесеи
мт
99,95—99,99
0,01—0,05
Бр.Х0,7
Остальное
550,3
Бр.ХТ0,6-0,5
»
5=0,2
МНЖКТ5-1-0,2-0,2
0,15—0,30
0,3—0,8
»
5=0,7
Бр.КМцЗ-1
2,75—3,5
1,0—1,5
»
5=1,1
ВТ1, содержащую до 0,05% С; до 0,3% Fe; до 0,05% S; до 0,15% кислорода; до 0,04% азота и до 0,01% водорода. Химический состав сварочной проволоки для сварки титановых сплавов выбирают исходя из соображений обеспечения прочностных и других свойств сварных соединений.
Другие плавящиеся электродные стержни. К плавящимся электродным стержням кроме рассмотренных выше сварочных проволок сплошного сечения относятся ленты и пластины сплошного сечения, порошковые проволоки и ленты (см. гл. 13), применяемые при различных способах дуговой сварки и наплавки, а также сварочные электроды с покрытиями различных типов. Кроме того, при электрошлаковой сварке используют комбинированные электроды (плавящиеся мундштуки), состоящие из пластин и проволок.
При помощи плавящихся электродных стержней соответствующего химического состава можно изменять в желаемом направлении состав металла шва или наплавки, легировать его нужными элементами, снижать содержание вредных примесей.
Неплавящиеся электродные стержни. Неплавящиеся электродные стержни изготовляют из чистого вольфрама, вольфрама с активирующими присадками окислов тория, лантана и иттрия, электротехнического угля и синтетического графита. Наиболее широко используют стержни из вольфрама и вольфрама с активирующими присадками, что обусловлено тугоплавкостью вольфрама (температура плавления 4500° С, температура кипения 5900° С), его высокой электропроводностью и теплопроводностью.
Вольфрамовые электроды Предназначены для дуговой сварки в среде инертных газов, атомно-водородной сварки, а также для плазменных процессов сварки, резки, наплавки и напыления. Их изготовляют из чистого вольфрама (марки ЭВЧ), вольфрама с присадками окиси лантана (марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20), вольфрама с присадкой окиси тория (марки ЭВТ-15) и вольфрама с присадками окиси иттрия и металлического тантала (марки ЭВИ-30). Цифры в обозначении марки вольфрамового электрода указывают количество активирующей присадки в десятых долях процента. Например, в электроде ЭВЛ-20 содержится 1,5—2,0% окиси лантана, остальное вольфрам. Суммарное содержание других примесей в вольфрамовых электродах не должно превышать 0,09%.
Изготовляют вольфрамовые электроды диаметром 0,2—12 мм. Электроды диаметром 0,2—2,5 мм включительно выпускают тянутыми, электроды большего диаметра изготовляют из кованых прутков, доводимых шлифованием до требуемого диаметра. Их длина составляет 75, 140 и 170 мм.
Добавка к вольфраму окислов лантана, тория или иттрия снижает эффективный потенциал ионизации, в результате чего облегчается зажигание дуги, увеличивается устойчивость дугового разряда и повышается стойкость электрода. Появляется возможность значительно повысить плотность тока, так как при этом конец электрода не изменяет формы в процессе сварки (табл. 7-8).
Для предупреждения окисления вольфрамовые электроды используют только при сварке с защитой области дуги инертным газом. Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активирующими присадками для сварки как на переменном, так и на постоянном токе прямой и обратной полярности. Чтобы уменьшить расход электродов, подачу инертного газа следует начинать до включения сварочного тока, а прекращать после включения тока и остывания электрода до его потемнения. Включать и выключать ток следует плавно.
Затачивать конец электрода для сварки переменным током рекомендуется в виде сферы, для сварки постоянным током — в виде конуса. Расход электродов из чистого вольфрама значительно выше, чем из вольфрама с активирующими присадками.
Все работы с электродами из вольфрама с присадкой окиси тория, а также транспортировку и хранение их следует выполнять в соответствии с санитарными правилами работы с радиоактивными веществами.
Графитовые и угольные электроды отличаются малой теплопроводностью. Они имеют круглое сечение диаметром 5—25 мм и длину 200—300 мм. Конец электрода затачивают на конус. Графитовые электроды по сравнению с угольными обладают большей электропроводностью и большей стойкостью против окисления при высоких температурах. Это заметно снижает удельный расход электродов и позволяет производить сварку на повышенных
Таблица 7-8
Рекомендуемые величины сварочного тока, А
На
Род тока
Диаметр электрода, мм
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Постоянный, прямая полярность
50
170
370
470
560
—
—
—
—
эвч
Постоянный, обратная полярность
30
40
55
65
85
110
130
160
180
Переменный
20
50
80
220
260
310
370
450
500
Постоянный, прямая полярность
100
250
500
710
1000
—
—
—
эьл
Постоянный, обратная поляр- ь есть
35
45
60
80
100
125
150
175
200
Переменный
70
180
210
280
340
410
500
600
720
плотностях тока. Подвод тока к графитовым и угольным электродам осуществляется при помощи специальных электрододержа- телей. С целью стабилизации положения дуги применяют угольные электроды с фитилем; фитиль —■ это канал, расположенный по центру электрода и заполненный порошкообразной массой, содержащей легкоионизируемые вещества.
§ 7-2. Порошковые проволоки
Порошковая проволока — это непрерывный электрод, состоящий из металлической оболочки и порошкообразного наполнителя (сердечника). Последний представляет собой смесь газообразующих и шлакообразующих материалов, ферросплавов и металлических порошков.
Отношение массы сердечника к массе проволоки называется коэффициентом заполнения Кэ- Величина К3 зависит от типа, конструкции, назначения проволоки и обычно составляет 15—40%.
Эффективность защиты расплавленного металла от воздуха зависит от количества защитных материалов сердечника Q3,
состава сердечника, конструкции проволоки, режима сварки и ха
рактеризуется содержанием азота в металле шва. С увеличением Q3 содержание азота в металле шва сначала снижается (рис. 7-1). Дальнейшее повышение Q3 приводит
Рис. 7-1. Зависимость содержания азота в наплавленном металле от количества защитных материалов в сердечнике
Рис. 7-2. Характер плавления сердечника и оболочки трубчатой порошковой проволоки
к отставанию плавления сердечника от плавления металлической оболочки (рис. 7-2) и снижению эффективности защиты металла от воздуха. Нераспла- вившиеся частицы сердечника, попадая в сварочную ванну, засоряют ее неметаллическими
включениями.
Уменьшение отставания плавления сердечника достигается следующими путями: 1) увеличением электропроводности сердечника за счет повышения содержания железного порошка. При сохранении оптимального количества газо- и шлакообразующих материалов этого эффекта можно достичь уменьшением толщины ленты; 2) понижением температуры плавления сердечника за счет применения шлаковых систем эвтектического состава с низкой температурой плавления или же введением в сердечник плавней, 3) разделением сердечника проволоки на части металлическими перегородками, электрически связанными с оболочкой проволоки
Наиболее распространенные конструкции порошковых проволок приведены на рис. 7-3. Проволоки простых трубчатых конструкций (а—в) обычно используют для сварки в углекислом газе. Проволоки сложных конструкций — с одним и двумя загибами
Рис. 7-3. Конструкции порошковой проволоки
а—6 — простые трубчатые;д — с двумя загибами оболочки;
е — с одним загибом оболочки, в — двухслойная
1 — проволока трубчатой конструкции.1 — проволока трубчатой конструкции.
1 — проволока трубчатой конструкции.
1 — проволока трубчатой конструкции.
Рис. 7-4. Зависимость содержания азота
в металле шва от напряжения дуги
2 — проволока двухслойной конструкции
кромок (г, д), а также двухслойные
(е) применяются без дополнительной ° 2з гц 25 26 21 ZBUaB защиты. ^Проволоки двухслойной
конструкций позволяют более надежно защитить расплавленный металл от воздуха (рис. 7-4). Эффективность защитыметалла снижается при повышении напряжения дуги (рис. 7-4).j
Порошковые проволоки различают по назначению, способу защиты металла и составу сердечника. Наиболее широкое распространение получили проволоки для сварки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей. В последнее время порошковые проволоки находят все большее применение для сварки легированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов.
По способу защиты порошковые проволоки делятся на само- защитные (защита расплавленного металла осуществляется с помощью составляющих сердечника проволоки) и используемые с дополнительной защитой зоны сварки газом или флюсами. Наиболее часто в качестве защитной среды употребляют углекислый газ.
По составу сердечника порошковые проволоки, выпускаемые в настоящее время промышленностью, делятся на пять типов: рутил-органические, карбонатно-флюоритные, флюоритные, рутиловые и рутил-флюоритные Название типа проволоки определяется наименованием основных составляющих сердечника. Проволоки первых трех типов применяют, как правило, без дополнительной защиты. Проволоки рутилового и рутил-флюоритного типов используют для сварки в углекислом газе.
Самозащитные проволоки. Проволоки рутил-органического типа предназначены для сварки низкоуглеродистых сталей Сердечник их состоит в основном из рутилового концентрата и алюмосиликатов (полевой шпат, гранит, слюда и др ). В качестве раскислителей использован ферромарганец, а газообразующих — органические материалы (крахмал, целлюлоза). При расплавлении проволок образуются кислые шлаки, содержащие преимущественно окислы титана и кремния Такие шлаки можно отнести к системам ТЮ2—SiO2—А12О3 или Т1О2—SiO2—MgO
Наплавленный металл по химическому составу близок к кипящей или полуспокойной низкоуглеродистой стали и содержит значительное количество водорода, азота и неметаллических включений. Это отрицательно сказывается на механических свойствах металла шва и сварного соединения С увеличением силы тока металл сварочной ванны более интенсивно поглощает газы,
главным образом водород и азот. Для предупреждения пористости швов при сварке проволоками этого типа ограничивают силу тока, что снижает производительность сварки.
Проволоки рутил-органического типа обладают удовлетворительными сварочно-технологическими свойствами и в широком диапазоне напряжений дуги обеспечивают получение плотных швов.
Металл швов, выполненных проволоками этого типа, в диапазоне рекомендованных режимов сварки мало склонен к образованию пористости при увлажнении сердечника или наличии ржавчины и окалины на поверхности свариваемого металла. Склонность к пористости повышается при сварке металла с большим содержанием кремния.
Рутил-органические проволоки ПП-АН1, ПП-1ДСК, ПВС-1Л нашли применение при изготовлении и монтаже неответственных конструкций в строительстве, машиностроении, речном судостроении и т. п. Основные технические данные самозащитной порошковой проволоки ПП-АН1, а также состав и свойства наплавленного металла приведены в табл. 7-9, 7-10 и 7-11. Подобные характеристики имеют и проволоки ПП-1ДСК и ПВС-1Л.
Проволоки карбонатно-флюоритного типа предназначены для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Шлакообразующую часть сердечника составляют флюоритовый и рутиловый концентраты, алюмосиликаты и окислы щелочноземельных металлов. В качестве газообразующих материалов использованы карбонаты кальция, магния и натрия. Раскислителями служат ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и ферроалюминий.
Наплавленный металл по составу представляет собой кремнемарганцевую сталь. Содержание газов в нем зависит от состава и конструкции проволок, а также от режимов сварки.
При расплавлении проволок карбонатно-флюоритного типа образуются основные шлаки, составы которых приближенно можно отнести к системам СаО—CaF2—ТЮ2, СаО—CaF2—А12О3, СаО—CaF2-—SiO2 и др. Шлаки, образующиеся при сварке проволоками карбонатно-флюоритного типа, плохо защищают расплавленный электродный металл и металл сварочной ванны. Вследствие этого при удлинении дуги в ряде случаев имеет место интенсивное поглощение азота расплавленным металлом. Нейтрализация вредного влияния азота достигается введением в сердечник нитридообразующих элементов — титана или алюминия. При высоких напряжениях дуги в металле швов, легированных титаном и алюминием, фиксируются значительные количества азота в виде нитридов титана или нитридов алюминия, что резко снижает пластические свойства металла (рис. 7-5, 7-6). Недостаточное количество нитрообразующих элементов приводит к образованию пор, поэтому их содержание в металле шва необходимо строго контролировать.
299299Таблица 7-9
299
299
Характеристика самозащитных порошковых проволок
Проволока
Тип сердечника
Конструк-
Положение сварки **
Рекомендуемые режимы сварки
Производительность наплавки,
Марка
Диаметр,
^В’ А
и^ В
ПП-АН1 . . . .
2,8
Рутил-органический
б
Н
200—350
24—28
2—5
ПП-АНЗ . . . .
3,0
Карбонатно-флюоритный
е
И
300—500
25—30
5—9
ПП-АН7 . . . .
2,0; 2,3
То же
е
II, вх, Г
160—300
20—26
3-6
ПП-АНН . . . .
2,0; 2,4
»
е
н, в2, г, п
150—350
20—26
3—7
ЭПС-15/2 . . . .
2,5
»
д
II
320—420
24—30
5-8
ПП-2ДСК . . . .
2,3
Флюоритный
г
н
340—450
25—32
6—8
* Конструкция проволоки указана в соответствии с обозначениями на рис. 7-3.
** Обозначения: и — нижнее; Bi — вертикальное «снизу вверх»; в2 — вертикальное — «сверху вниз»; г — горизонтальное; п — по-
Таблица 7-10
Состав швов и содержание газов в металле, наплавленном самозащитными порошковыми проволоками, %
Марка
проволоки
с
Мп
Si
[N], не более
^сум
Г^сум- см3/100 г
ПП-АН1 .
0,06—0,10
0,6—0,8
0,07—0,15
0,04
0,06—0,10
20-30
ПП-АНЗ
0,07—0,12
0,7—1,3
0,20—0,45
0,03
0,04—0,06
4,5—7,0
ПП-АН7 .
0,08—0,13
0,7—1,3
0,20—0,50
0,03
0,04—0,06
5,5—8,0
ПП-АНН
0,09—0,14
0,9—1,5
0,25—0,50
0,025
о:оз—о,о4
4,0—5,5
ЭПС-15/2
0,08—0,12
0,6—0,8
0,07—0,15
0,025
0,03—0,04
5—8
ПП-2ДСК
0,09—0,13
0,6—1,1
0,13-0,40
0,03
0,03—0,04
6—10
Марка проволокиS Sе” м3SПП-АН150—5618—248—12ПП-АНЗ50—5624—3014—18ПП-АН750—5521—2613—17ПП-АН1152—5623—2814—18ЭПС-15/252—5822—2614—18ПП-2ДСК48—5222—3014—17Марка проволокиS Sе” м3SПП-АН150—5618—248—12ПП-АНЗ50—5624—3014—18ПП-АН750—5521—2613—17ПП-АН1152—5623—2814—18ЭПС-15/252—5822—2614—18ПП-2ДСК48—5222—3014—17Таблица 7-11Механические свойства металла швов,Таблица 7-11Механические свойства металла швов,выполненных самозащитными порошковыми проволоками (при комнатной температуре)выполненных самозащитными порошковыми проволоками (при комнатной температуре)требуют тщательного хранения,требуют тщательного хранения,
Марка проволоки
S S
е” м
3
S
ПП-АН1
50—56
18—24
8—12
ПП-АНЗ
50—56
24—30
14—18
ПП-АН7
50—55
21—26
13—17
ПП-АН11
52—56
23—28
14—18
ЭПС-15/2
52—58
22—26
14—18
ПП-2ДСК
48—52
22—30
14—17
Марка проволоки
S S
е” м
3
S
ПП-АН1
50—56
18—24
8—12
ПП-АНЗ
50—56
24—30
14—18
ПП-АН7
50—55
21—26
13—17
ПП-АН11
52—56
23—28
14—18
ЭПС-15/2
52—58
22—26
14—18
ПП-2ДСК
48—52
22—30
14—17
Таблица 7-11
Механические свойства металла швов,
Таблица 7-11
Механические свойства металла швов,
выполненных самозащитными порошковыми проволоками (при комнатной температуре)
выполненных самозащитными порошковыми проволоками (при комнатной температуре)
требуют тщательного хранения,
требуют тщательного хранения,
Существенное повышение эффективности защиты металла от
воздуха достигается применением проволоки двухслойной конструкции. Снижение поглощения азота расплавленным металлом в этом случае позволяет значительно расширить диапазон напряжений дуги, при которых обеспечиваются удовлетворительные механические свойства металла шва, и отказаться от легирования титаном и алюминием.
Проволоки с сердечником карбонатно-флюоритй'ого типа не допускается их увлажнение,
ржавление и наличие слоя волочильной смазки на поверхности. Влага и следы смазки служат источниками водорода, который в дуге интенсивно поглощается расплавленным металлом. Это является причиной образования пор и снижения пластических свойств металла швов. Удаление влаги и следов волочильной
смазки путем прокалки проволоки при температуре 250° С позво
ляет резко снизить содержание водорода и уменьшить склонность к образованию пористости. Существенного уменьшения содержания водорода в металле достигают введением в сердечник фтористого кальция и кремнефтористого натрия. Этому же способствует увеличение вылета проволоки благодаря предварительному ее нагреву. Во избежание образования пористости требуется очистка свариваемого металла от ржавчины и загрязнений.
Сварку порошковой проволокой карбонатно-флюоритного типа выполняют на постоянном токе обратной полярности при питании от источника сварочного тока с жесткой внешней характеристи-
Рис. 7-5.
Ударная вязкость металла швов, легированных титаном; содержание титана:
Рис. 7-6.
Ударная вязкость металла швов, легированных алюминием; содержание алюминия:
Z — 0,01%;3 — 0,26%;
2 - 0,12%;4 — 0,42%
1 - 0,05%;
2 — 0,18%;
3 — 0,57%;
4 — 0,90%
кой. Металл шва хорошо раскислен, содержание газов в нем невелико. Механические свойства металла швов находятся на уровне, достигаемом обычно при сварке электродами фтористо-кальцие- вого типа. Проволоки карбонатно-флюоритного типа высокопроизводительны и допускают применение большой плотности тока.
Порошковые проволоки для сварки в углекислом газе. Сварка в углекислом газе проволокой сплошного сечения Св-08Г2С наряду с известными преимуществами, обусловившими ее массовое применение, имеет ряд недостатков. Важнейшие из них: повышенное разбрызгивание электродного металла и посредственный внешний вид швов при сварке проволокой диаметром 1,6—2,0 мм в диапазоне наиболее употребляемых сварочных токов (340—400 А). В ряде случаев наблюдается недостаточная пластичность металла шва.
Применение порошковой проволоки позволяет устранить эти недостатки. Введение в сердечник проволоки шлакообразующих составляющих и раскислителей в сочетании с дополнительной защитой углекислым газом позволяет хорошо раскислить металл сварочной ванны, интенсивно обработать его шлаком и снизить содержание в нем газов и неметаллических включений (табл. 7-12). При этом существенно повышается пластичность металла швов.
При сварке порошковой проволокой нагрев основного металла менее концентрированный, чем при сварке сплошной проволокой. Это дает возможность получить благоприятную форму швов при высоких скоростях плавления металла. Введением в сердечник проволоки материалов, активно влияющих на характеристики дуги, достигается высокая стабильность дугового процесса и минимальное разбрызгивание электродного металла.
Основу сердечника проволок, используемых с дополнительной защитой углекислым газом, составляют шлакообразующие материалы, ферросплавы и железный порошок. Наиболее распространены шлаковые системы ТЮ2—SiO2, Т1О2—CaF2, MgO—TiO2— CaF2, CaO—TiO2—CaF2 и др. До 60% массы сердечника составляет железный порошок. Его вводят с целью увеличения производительности сварки и придания проволоке благоприятных сварочно-технологических свойств.
Таблица 7-12
Содержание газов в металле, наплавленном в углекислом газе, %
Марка проволоки
[N]
1°1сум
[НДум- см3Д00 г
ПП-АН8 . . . .
0,008—0,015
0,06—0,085
6,5—8,4
ПП-АН10 . .
0,008—0,015
0,04—0,07
4,4—6,6
ПП-АН4 . . . .
0,008—0,015
0,025—0,040
3,0—6,3
ПП-АН9 . . . .
0,008—0,013
0,03—0,045
3,7—6,0
Св-08Г2С . . .
0,010
0,04—0,08
4,05
В качестве шлакообразующих материалов в сердечник проволок рутилового типа вводят рутиловый концентрат, алюмосиликаты и руды. Раскисление металла в основном осуществляется ферромарганцем. Содержание кремнезема в сердечнике проволок этого типа необходимо ограничивать с целью предупреждения развития реакции восстановления кремния:
2 [Мп] + (SiO2) iSi] + 2 (МпО). (7-1)
При понижении температуры в ванне реакция идет влево. Продукты реакции, не успевая всплыть из ванны, остаются в ней в виде неметаллических включений и могут снизить пластичность швов. Проволоки с рутиловым сердечником обеспечивают устойчивое горение дуги в широком диапазоне токов, отличное формирование швов, малое разбрызгивание электродного металла. Металл шва и сварные соединения, выполненные проволоками рутилового типа на низкоуглеродистых и низколегированных сталях, отвечают требованиям, предъявляемым к электродам типа Э50А.
Основу шлакообразующей части сердечника проволок рутил- флюоритного типа составляют рутиловый и флюоритовый концентраты. Раскисление осуществляется ферромарганцем и ферросилицием. Проволоки этого типа обычно не содержат кремнезема. Входящий в состав сердечника фтористый кальций, являясь флюсующим реагентом, обеспечивает минимальное содержание неметаллических включений в металле шва и исключительно высокую его пластичность, превосходящую пластичность швов, выполненных электродами типа Э50АФ.
В промышленности для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей нашли широкое применение рутиловые проволоки марок ПП-АН8 и ПП-АН10 и рутил-флюоритные проволоки марок ПП-АН4 и ПП-АН9 (табл. 7-13).
Таблица 7-13
Характеристика порошковых проволок для сварки в углекислом газе
Марка проволоки
Сердечник
Диаметр,
Рекомендуемые режимы сварки
Механические свойства металла шва (при комнатной температуре)
<
СП
S
S
to *
3
ПП-АН8
Рутиловый
2,0; 2,2, 2,5, 3,0
150—550
20—38
52—56
25—30
14—20
ПП-АН10
»
2,0; 2,3
130—500
22—37
52—56
25—30
14—20
ПП-АН4
Рутил- флюоритный
2,0, 2,2, 2,5
230—550
25—35
50—55
27—30
16—25
ПП-АН9
То же
2,0, 2,2; 2,5
240—530
25—35
50—55
27—30
16—25
Рутиловые проволоки применяют при изготовлении большой номенклатуры деталей и узлов машин, строительных металле-, конструкций и особенно на тех объектах, где к внешнему виду швов предъявляются повышенные требования. Проволоки рутил- флюоритного типа рекомендуются для сварки особо ответственных конструкций, эксплуатируемых в сложных климатических условиях при значительных динамических и знакопеременных нагрузках.
Применение порошковых проволок позволяет значительно повысить производительность сварки. Производительность полуавтоматической сварки порошковой проволокой в 2—4 раза выше, чем ручной сварки покрытыми электродами, и на 10—15% выше, чем проволокой Св-08Г2С (рис. 7-7).
Себестоимость металла, наплавленного порошковыми проволоками, на 20—30% ниже, чем металла, наплавленного покрытыми электродами. При сварке в углекислом газе себестоимость наплавленного порошковыми проволоками металла несколько выше, чем проволокой Св-08Г2С. При изготовлении ответственных металлоконструкций обычно требуется механическая обработка швов для придания им благоприятной формы и очистки конструкций от брызг. В этом случае применение порошковых проволок благодаря их отличным сварочно-технологическим свойствам и минимальному разбрызгиванию металла более эффективно, чем проволоки сплошного сечения марки Св-08Г2С. Так, например, применение порошковой проволоки ПП-АН8 на экскаваторных заводах позволило снизить трудоемкость сварочных работ на 25—30%, а на заводах сельхозмашиностроения на 30—40%.
На Ждановском заводе металлоконструкций широкое внедрение сварки порошковой проволокой позволило уменьшить в 2 раза количество постов для ручной сварки. Это увеличило среднюю производительность сварщиков на 46%. Замена электродов УОНИ-13/45 проволокой ПП-АН8 позволило получить 281 руб. экономии на каждой тонне израсходованной проволоки.
Порошковые проволоки для специальных целей. Порошковые проволоки нашли также применение для сварки вертикальных и горизонтальных швов с принудительным формированием, сварки электрозаклепками, ванной сварки и др.
При электродуговой сварке вертикальных швов с принудительным формированием порошковая проволока подается в зазор, образованный кромками изделий и ограниченный ползунами (рис. 7-8). Кромки свариваемого металла оплавляются за счет излучения дуги, горящей между концом электрода и сварочной ванной. Расплавленный металл защищен от воздуха шлаком и газом, образующимися при плавлении проволоки. С боков ванна жидкого металла охлаждается и формируется медными ползунами. Сварку порошковой проволокой с принудительным форми-
Рис. 7-7.Производительность сварки различными сварочными материалами:Рис. 7-7.Производительность сварки различными сварочными материалами:Рис. 7-8.Схема процесса сварки порошковой проволокой вертикальных швов с принудительным формиРис. 7-8.Схема процесса сварки порошковой проволокой вертикальных швов с принудительным формированием:рованием:
Рис. 7-7.
Производительность сварки различными сварочными материалами:
Рис. 7-7.
Производительность сварки различными сварочными материалами:
Рис. 7-8.
Схема процесса сварки порошковой проволокой вертикальных швов с принудительным форми
Рис. 7-8.
Схема процесса сварки порошковой проволокой вертикальных швов с принудительным форми
рованием:
рованием:
/ — УОНИ-13/55, 0 6 мм;— АНО-1, о 5 мм,— ПП-АНЗ, 0 3 мм;— Св-08Г2С, 0 2 мм;— ПП-АН8, 0 3 мм/ — УОНИ-13/55, 0 6 мм;— АНО-1, о 5 мм,— ПП-АНЗ, 0 3 мм;— Св-08Г2С, 0 2 мм;— ПП-АН8, 0 3 мма — сварка в углекислом газе;
/ — УОНИ-13/55, 0 6 мм;
— АНО-1, о 5 мм,
— ПП-АНЗ, 0 3 мм;
— Св-08Г2С, 0 2 мм;
— ПП-АН8, 0 3 мм
/ — УОНИ-13/55, 0 6 мм;
— АНО-1, о 5 мм,
— ПП-АНЗ, 0 3 мм;
— Св-08Г2С, 0 2 мм;
— ПП-АН8, 0 3 мм
б — сварка самозащитной проволокой,
/ — порошковая проволока, 4 — ползуны;
— свариваемый металл, 5 — сварочная ванна;
— шлак;6 — шов
рованием рекомендуется применять для соединения металла толщиной 8—30 мм. Сварку можно выполнять как самозащитной проволокой (ПП-АНЗС, ПП-АН7, ПП-2ДСК), так и с дополнительной защитой углекислым газом (ПП-АН5).
Проволока ПП-АНЗС имеет двухслойную конструкцию и сердечник карбонатно-флюоритного типа. Металл толщиной 10—• 20 мм рекомендуется сваривать на режиме /св = 400^-450 А, Ua = 24-н27 В, УСЕ = 4-: 7 м/ч, зазор между кромками 10—■ 12 мм. Проволока ПП-АН5 с сердечником флюоритного типа допускает сварку на токах до 500 А. Ее широко применяют при сварке монтажных стыков корпусов морских судов, при этом производительность труда сварщиков повышается в 5— 7 раз.
Полупринудительное формирование сварочной ванны предусматривает частичное удержание жидкого металла на вертикальной плоскости скользящим или перекатывающимся ползуном. Ползун ограничивает массу свободной части ванны, что позволяет увеличить мощность сварочной дуги, а следовательно, и производительность сварки. Для сварки с полупринудительным формированием используют самозащитные проволоки ПП-АНЗС и ПП-АН7. Сварку одной дугой проволокой ПП-АНЗС производят на токах до 500 А, а двумя дугами —■ до 900 А. Применение этого способа сварки особенно эффективно для конструкций с горизонтальными швами большой протяженности, например цилиндрических резервуаров, кожухов доменных печей и т. п.
§ 7-3. Сварочные электроды
Из всех сварочных материалов, выпускаемых в нашей стране, покрытые электроды по объему применения занимают ведущее место. Ими сваривают свыше двух третей изготовляемых в СССР металлоконструкций. Такое положение объясняется простотой, большой маневренностью и универсальностью процесса сварки покрытыми электродами, а также высоким качеством выполненных ими сварных швов. Благодаря непрерывному повышению технического уровня и производительности электродов сварка покрытыми электродами еще длительное время будет одним из основных способов сварки плавлением.
Общие сведения об электродах. Покрытый электрод представляет собой металлический стержень, на поверхность которого методами окунания или опрессовки под давлением нанесено специальное покрытие. В зависимости от назначения к электроду предъявляют различные требования.
Общие требования для всех типов электродов: обеспечение устойчивого горения дуги; хорошее формирование шва; получение металла шва определенного химического состава и свойств, свободного от дефектов; спокойное и равномерное плавление электродного стержня и покрытия в процессе сварки; минимальные потери электродного металла от угара и разбрызгивания; высокая производительность сварки; легкая отделимость шлаковой корки с поверхности шва; достаточная прочность покрытия; сохранение физико-химических и технологических свойств электродов в течение определенного промежутка времени; минимальная токсичность при изготовлении и сварке.
К электродам предъявляют ряд специальных требований: получение швов заданной формы (вогнутая поверхность шва, глубокий провар и др.); возможность сварки в различных пространственных положениях, возможность сварки определенным способом (сварка опиранием, сварка вертикальных швов способом сверху вниз и др.); получение металла шва со специальными свойствами (повышенной прочности, износоустойчивости, коррозионной стойкости, жаропрочности, окалиностойкости и т. п.).
Для удовлетворения всех этих требований (общих и специальных) в покрытия электродов вводят определенные вещества — шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие, стабилизирующие, связующие, а также применяют стержни различного состава.
Шлакообразующие составляющие — основная часть большинства покрытий. Это — полевой шпат, кремнезем, каолин, слюда, тальк, ильменитовый и рутиловый концентраты, марганцевая руда, гематит, мрамор, магнезит, плавиковый шпат и др. Эти составляющие покрытий при расплавлении образуют шлак, который защищает капли электродного металла и сварочную ванну от непосредственного контакта с газами окружающей атмосферы.
20 Заказ № 782 305
Газообразующие составляющие вводят в электродное покрытие в виде органических веществ (оксицеллюлозы, крахмала, древесной муки, декстрина) или в виде карбонатов (мрамора, мела, известняка, доломита, магнезита, сидерита). Органические составляющие покрытия и карбонаты при нагревании разлагаются и образуют газы, которые оттесняют воздух от дугового промежутка.
На определенных этапах процесса сварки расплавленный металл контактирует со шлаком, атмосферой дуги и воздухом, в результате чего окисляется. Для получения высокого качества шва металл необходимо раскислить, т. е. восстановить находящиеся в расплаве окислы. С этой целью в покрытие вводят элементы-раскислители, чаще всего в виде ферросплавов: ферромарганца, ферросилиция, ферротитана и др. Иногда в качестве раскислителя применяют алюминий или графит. Если электроды имеют стержень из легированной стали, то раскисление частично осуществляется за счет легирующих элементов стержня.
Для получения повышенной прочности, износоустойчивости, коррозионной стойкости и многих других специальных свойств металла шва его необходимо легировать марганцем, кремнием, вольфрамом, молибденом, хромом, никелем, ниобием, бором, титаном и другими элементами. Легировать металл шва можно через проволоку или через покрытие. Возможно одновременное использование обоих способов легирования. Наиболее стабильные химический состав, механические и другие свойства металла шва (особенно при сварке и наплавке высоколегированных сплавов) получаются при легировании через проволоку.
Для стабилизации горения дуги в покрытия вводят соединения щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, кальция, бария), обладающих низкими потенциалами ионизации и малой работой выхода электронов. В качестве стабилизирующих составляющих используют силикаты натрия и калия, поташ, кальцинированную соду, полевой шпат, мел, мрамор и углекислый барий.
Для повышения пластичности обмазочной массы в состав покрытия вводят пластификаторы — бентонит, каолин, тальк, слюду, целлюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и другие вещества.
В качестве связующих материалов при изготовлении покрытых электродов чаще всего используют натриевое, калиевое или натриево-калиевое жидкое стекло В покрытиях некоторых электродов для связки применяют лаки и порошкообразные пластмассы. Многие составляющие покрытия выполняют одновременно несколько функций. Например, мрамор, магнезит и доломит являются и газообразующими и шлакообразующими составляющими; полевой шпат, слюда, жидкое стекло — шлакообразующими и стабилизаторами; ферросплавы— раскислителями и легирующими. Состав покрытия выбирают в зависимости от назначения электродов и требуемых состава и свойств металла шва.
Классификация электродов. Электроды для ручной дуговой сварки классифицируют по следующим основным признакам: по назначению — для сварки стали, чугуна, алюминия, для наплавочных работ и т. п ; по типу покрытия — целлюлозные, рутиловые, фтористо-кальциевые, ильменитовые, рудно-кислые и др.; по механическим свойствам металла шва; по способу нанесения покрытия — окунанием или опрессовкой; по количеству покрытия, нанесенного на стержень, — голые электроды, тонкопокрытые, толстопокрытые.
Все эти признаки тесно взаимосвязаны. Группы тех или иных признаков положены в основу классификации электродов в национальных стандартах различных стран. Электроды для сварки и наплавки сталей в зависимости от назначения в соответствии с ГОСТ 9466—60 подразделены на ряд классов: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; для сварки легированных теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.
Электроды для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей согласно ГОСТ 9467—60 классифицированы по механическим характеристикам металла шва и сварного соединения, выполненных этими электродами. Электроды для сварки теплоустойчивых сталей классифицированы, кроме того, и по химическому составу металла шва. ГОСТ 9467—60 устанавливает в зависимости от состава следующие виды покрытий электродов для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей: рудно-кислое, обозначаемое буквой Р; рутиловое—■ Т; фтористо-кальциевое—Ф; органическое — О.
Электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами по ГОСТ 10052—62 подразделены на ряд типов в зависимости от химического состава наплавленного металла и механических свойств металла шва. Каждому типу может соответствовать одна или несколько марок электродов. Марка электродов характеризуется определенным составом покрытия и электродного стержня, технологическими свойствами и свойствами металла шва.
Механические свойства, регламентируемые стандартом или техническими условиями для электродов данной марки, относятся к случаю наплавки металла или сварки стыкового шва сравнительно небольшой длины. В зависимости от условий сварки механические свойства металла шва реальной сварной конструкции могут отличаться от свойств электродов, указанных в стандарте или паспорте.
Наиболее полно свойства каждой конкретной марки электродов отражены в паспорте. Паспорт содержит следующие сведения: условное обозначение электродов, их назначение, марку сварочной проволоки и данные о покрытии электродов. К последним относятся состав, номера стандартов или технических условий 20*307
йа составляющие покрытий, соотношение массы покрытия и массы стержня, толщина покрытия в зависимости от диаметра стержня, режимы сушки и прокалки, а также условия хранения электродов. В паспорте содержатся также краткие технологические указания по сварке, характеристики расплавления электродов, химический состав и свойства наплавленного металла, металла_шва или сварного соединения.
Общие требования, предъявляемые к электродам, регламентированы ГОСТ 9466—60. Это размеры и допуски отклонений от номинальных размеров, качество покрытия, влагостойкость покрытия, требования к технологическим и металлургическим свойствам электродов. Этим же стандартом обусловлены правила приемки электродов, методы испытаний швов и сварных соединений, условия маркировки и упаковки, данные о документации на электроды.
Условное обозначение электродов для дуговой сварки сталей и наплавки состоит из обозначения марки и типа электрода, диаметра стержня и номера стандарта. В условном обозначении электродов для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей указан также вид покрытия. Например, условное обозначение электрода АНО-7 Э50А-5,0-Ф ГОСТ 9467—60 расшифровывается следующим образом: АНО-7 — марка электрода; Э50А — тип электрода (Э— электрод для дуговой сварки, 50'— минимальное гарантируемое временное сопротивление металла шва в кгс/мм2; А — гарантирование получения повышенных пластических свойств металла шва); 5,0 — диаметр электродного стержня в мм; Ф — фтористо-кальциевое покрытие; ГОСТ 9467—60— номер стандарта на данный электрод.
Металлургические процессы, происходящие при сварке покрытыми электродами. Металлургические процессы при дуговой сварке покрытым электродом характеризуются малыми количествами реагирующих веществ, кратковременностью и высокими температурами взаимодействия фаз. От характера и интенсивности металлургических реакций существенно зависит химический состав, а следовательно и механические свойства металла шва.
Перенос электродного металла через дуговой промежуток в основном осуществляется каплями. Расплавленное покрытие частично переносится через дуговой промежуток в виде шлаковой оболочки вокруг капель металла, а частично непосредственно стекает в ванну. В процессе сварки наблюдается значительное перемешивание металла и шлака, что увеличивает межфазную поверхность металл-шлак. На торце электрода и в дуговом промежутке капли металла и шлака нагреваются до температуры 2100—2300° С, а средняя температура металла в сварочной ванне составляет примерно 1700—1800° С. Температура газов (плазмы) в столбе дуги достигает 5000—6000° С. Большие межфазные поверхности и высокая температура обеспечивают при сварке интенсивное взаимодействие металла со шлаком и газами.
Рис. 7-9. Кинетика окисления марганца в электродном покрытии:
= 2,4,= 2,4,= 14 (А А Ерохии)= 14 (А А Ерохии)_ %СаСО, %Мп
= 2,4,
= 2,4,
= 14 (А А Ерохии)
= 14 (А А Ерохии)
2 %СаСО3 %Мп
Процессы, происходящие при нагреве твердого покрытия на конце электрода, имеют очень важное значение, так как от характера их протекания зависят состав, количество поступающих в атмосферу дуги газов, степень окисления ферросплавов и др. В твердом покрытии при нагреве
происходит разложение или сго
рание органических веществ, диссоциация карбонатов и окислов, окисление ферросплавов. Так, диссоциация магнезита начинается уже при температуре около 430° С, а мрамора — около 540° С; МпО2 начинает диссоциировать в атмосфере воздуха при температуре 470° С, переходя в Мп2О3. Органические составляющие начинают разлагаться еще при более низких температурах. При наличии окислителей в покрытии органические вещества сгорают, образуя газовые смеси, состоящие в основном из СО2, Н2, Н2О и СО.
Значительное влияние на кинетику и степень диссоциации составляющих покрытия оказывают их минералогический состав, дисперсность, степень гидратации, состав покрытия и т. д. Добавление окислов, фторидов и металлических порошков к карбонатам приводит к смещению интервала диссоциации карбонатов в область низких температур. Это вызвано прежде всего улучшением теплопроводности покрытий и развитием экзотермических реакций окисления.
Одной из главных реакций, происходящих в твердой фазе при нагреве покрытия, является окисление ферросплавов кислородом воздуха и углекислым газом, выделяющимся при диссоциации карбонатов. Наличие карбоната в покрытии способствует большему окислению ферросплавов к моменту расплавления покрытия (рис. 7-9).
Состав и количество газов в атмосфере дуги зависят от типа покрытия При плавлении покрытий рудно-кислого, рутилового и органического типов в результате разложения органических составляющих и окисления углерода образуются главным образом водород, окись углерода и пары воды При введении в рутиловое покрытие карбонатов атмосфера дуги содержит значительное количество углекислого газа. При сварке электродами с фтористо- кальциевым покрытием атмосфера дуги содержит углекислый газ, окчсь углерода и пары воды.
Таблица 7-14
Состав газов (об. %) (по данным Л В. Сухова и А. Е. Марченко)
Тип покрытия и марка электрода
СО
со2
н2
о2
Н2О
СпНт
Рудно-кислое, ЦМ7. . . .
47,6
4,7
39,0
0,6
6,2
1,9
Органическое, опытная. . .
42,1
1,1
51,2
—
5,6
—
Фтористо-кальциевое, ЦУ1 . ..
62,9
20,4
5,2
0,2
10,5
0,8
Рутиловое, опытная ...
50,7
5,9
37,7
—
5,7
—•
В табл. 7-14 приведены результаты анализа газов, образующихся при сварке электродами с различными покрытиями. Кроме этих газов в атмосфере дуги всегда имеется азот воздуха. Количество его в основном определяется эффективностью газовой защиты.
Азот диссоциирует в дуговом промежутке (рис. 7-10). Диссоциация азота повышает скорость его абсорбции расплавленным железом.
Снижение количества азота в металле шва при сварке покрытыми электродами достигается надежной газошлаковой защитой. Максимальное содержание азота наблюдается в металле шва, сваренного электродами со стабилизирующим покрытием. Оно составляет 0,1—0,2% и значительно превышает максимальную растворимость азота в железе при комнатной температуре. С увеличением толщины покрытия содержание азота в металле шва снижается (рис. 7-11). Газообразующие компоненты в процессе плавления электрода выделяют значительное количество газов и снижают парциальное давление азотав атмосфере дуги, что обеспечивает уменьшение его содержания в металле шва (рис. 7-12).
Содержание азота в металле шва зависит от степени его легирования. Повышение содержания углерода в проволоке или по-
Рис. 7-10. Зависимость степени диссоциации No, О2 и Н2 от температурыРис. 7-10. Зависимость степени диссоциации No, О2 и Н2 от температурыпокрытияпокрытияРис. 7-11. Влияние коэффициента массы шлакообразующего покрытия на содержание азота в металле шваРис. 7-11. Влияние коэффициента массы шлакообразующего покрытия на содержание азота в металле шва
Рис. 7-10. Зависимость степени диссоциации No, О2 и Н2 от температуры
Рис. 7-10. Зависимость степени диссоциации No, О2 и Н2 от температуры
покрытия
покрытия
Рис. 7-11. Влияние коэффициента массы шлакообразующего покрытия на содержание азота в металле шва
Рис. 7-11. Влияние коэффициента массы шлакообразующего покрытия на содержание азота в металле шва
Рис. 7-12. Влияние количества газов, выделяющихся при расплавлении электрода, на содержание азота в наплавленном металле (Ф. Рихтер)Рис. 7-12. Влияние количества газов, выделяющихся при расплавлении электрода, на содержание азота в наплавленном металле (Ф. Рихтер)Рис. 7-13. Влияние напряжения дуги на содержание азота и кислорода в металле шва при сварке покрытыми электродамиРис. 7-13. Влияние напряжения дуги на содержание азота и кислорода в металле шва при сварке покрытыми электродами
Рис. 7-12. Влияние количества газов, выделяющихся при расплавлении электрода, на содержание азота в наплавленном металле (Ф. Рихтер)
Рис. 7-12. Влияние количества газов, выделяющихся при расплавлении электрода, на содержание азота в наплавленном металле (Ф. Рихтер)
Рис. 7-13. Влияние напряжения дуги на содержание азота и кислорода в металле шва при сварке покрытыми электродами
Рис. 7-13. Влияние напряжения дуги на содержание азота и кислорода в металле шва при сварке покрытыми электродами
крытии приводит к снижению содержания азота в металле шва. Углерод снижает растворимость азота в железе. Кроме того, окисление углерода способствует уменьшению абсорбции азота вследствие снижения парциального давления азота у реакционной границы газ—металл. Марганец в небольших количествах снижает содержание азота в металле шва, а с повышением концентрации увеличивает его содержание, что связано с образованием нитридов и изменением структуры металла.
Кремний снижает растворимость азота в стали. Значительно увеличивает содержание азота легирование швов хромом и молибденом. Увеличение содержания титана (свыше 0,2%) и алюминия (свыше 1%) в наплавленном металле приводит к росту содержания азота. При высоких содержаниях этих элементов практически весь азот в металле шва находится в виде нитридов.
Большое влияние на содержание азота в металле шва оказывает режим сварки. Повышение напряжения дуги (удлинение дуги) приводит к ухудшению газовой защиты расплавленного металла и возрастанию концентрации азота в металле шва (рис. 7-13). Увеличение содержания азота в металле шва, вызванное удлинением дуги, особенно заметно при недостаточно надежной шлаковой защите металла.
С увеличением силы тока увеличивается температура капель. В сталях типа 18-8 это приводит к снижению растворимости азота, а в низкоуглеродистой стали — напротив, к увеличению растворимости. Поэтому увеличение силы тока вызывает снижение содержания азота при сварке сталей типа 18-8, а при сварке низкоуглеродистой стали содержание азота сначала растет, а затем начинает снижаться вследствие интенсивного испарения металла и уменьшения парциального давления азота у реакционной границы газ—металл. Содержание азота в металле шва при сварке постоянным током на прямой полярности, как правило, выше,
капель или ванны, NOкапель или ванны, NOРис. 7-14. Влияние Легирующих элементов на растворимость водорода в сплавах железа4
капель или ванны, NO
капель или ванны, NO
чем на обратной. Это связано с более благоприятными условиями контактирования металла с азотом при сварке на прямой полярности, а также более низкой температурой капель и меньшим испарением металла.
Большое влияние на процесс поглощения азота металлом при сварке оказывает содержание кислорода в атмосфере дуги. Кислород в дуге взаимодействует с молекулярным азотом с образованием NO. Попадая на металл диссоциирует. Образующиеся при этом
атомарные азот и кислород активно растворяются в металле.
Водород, как и азот, оказывает вредное воздействие на качество металла шва. В зависимости от температуры водород может находиться в молекулярном, атомарном или ионизированном состоянии. Степень диссоциации водорода зависит от температуры (см. рис. 7-10). В столбе дуги подавляющее количество водорода находится в атомарном состоянии. При дуговой сварке покрытыми электродами содержание водорода в металле шва
в ряде случаев может превышать величину растворимости его в железе при равновесных условиях и температуре кристаллизации. Растворимость водорода в жидких сплавах железа зависит от концентрации легирующих элементов (рис. 7-14).
Кислород является элементом, наиболее активно препятствующим поглощению водорода жидким железом. С повышением содержания кислорода в металле растворимость водорода понижается. Раскислители (марганец, кремний, титан, алюминий), связывая растворенный в стали кислород, могут тем самым косвенно влиять на содержание в ней водорода.
При сварке покрытыми электродами главным источником водорода является покрытие. В процессе нагрева покрытия электрода и при его плавлении происходит разложение органических составляющих, диссоциация карбонатов и окислов, взаимодействие между составляющими покрытия и другие реакции, которые определяют парциальное давление водорода и паров воды в атмосфере дуги, а следовательно, и их содержание в металле шва. Характер протекания этих процессов определяется главным образом составом и влажностью покрытия (рис. 7-15).
Увеличение количества органических составляющих в покрытии приводит к повышению содержания водорода в металле шва. Введение карбонатов в покрытие снижает парциальное давление водорода в атмосфере дуги и количество водорода в металле
Рис. 7-15.Влияние влажности покрытия на содержание водорода в наплавленном металле:/ _ рутиловое покрытие,2 — фтористо-кальциевое покрытиеРис. 7-15.Влияние влажности покрытия на содержание водорода в наплавленном металле:/ _ рутиловое покрытие,2 — фтористо-кальциевое покрытиеРис. 7-16.Влияние силы тока и диаметра электрода на содержание водорода в наплавленном металле; электроды АНО-4, обратная полярностьРис. 7-16.Влияние силы тока и диаметра электрода на содержание водорода в наплавленном металле; электроды АНО-4, обратная полярность/ — 0 3 мм,3 — 05 мм,
Рис. 7-15.
Влияние влажности покрытия на содержание водорода в наплавленном металле:
/ _ рутиловое покрытие,
2 — фтористо-кальциевое покрытие
Рис. 7-15.
Влияние влажности покрытия на содержание водорода в наплавленном металле:
/ _ рутиловое покрытие,
2 — фтористо-кальциевое покрытие
Рис. 7-16.
Влияние силы тока и диаметра электрода на содержание водорода в наплавленном металле; электроды АНО-4, обратная полярность
Рис. 7-16.
Влияние силы тока и диаметра электрода на содержание водорода в наплавленном металле; электроды АНО-4, обратная полярность
2 — 0 4 мм,4 — 0 6 мм
шва. Наличие фтористых соединений в составе покрытия способствует снижению концентрации водорода в металле благодаря связыванию его в химически прочное и нерастворимое в металле соединение НЕ.
Содержание водорода в металле шва зависит и от режимов сварки. С увеличением силы тока концентрация водорода в шве возрастает (рис. 7-16). Объясняется это увеличением температуры дуги и капель электродного металла. Увеличение напряжения дуги приводит к снижению концентрации водорода в металле шва. Удлинение дуги вызывает подсос воздуха из окружающей атмосферы, снижение парциального давления водорода в атмосфере дуги и повышенное окисление металла. В результате поглощение водорода расплавленным металлом снижается.
Процесс поглощения водорода металлом идет преимущественно на стадии капли. Этому способствуют более высокая температура и большая удельная поверхность расплавленного металла.
Газы атмосферы дуги окисляют расплавленный электродный металл. При сварке электродами со стабилизирующим покрытием расплавленный металл окисляется главным образом кислородом, попадающим в атмосферу дуги из окружающего воздуха. Кислород при температуре дуги в значительной степени диссоциирован (рис. 7-10). Окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно, чем молекулярного.
При сварке толстопокрытыми электродами количество кислорода, попадающего в атмосферу дуги из окружающего воздуха, незначительно и расплавленный металл окисляется преимущественно водяным паром и углекислым газом, образующимися при нагреве и расплавлении покрытия. Состав газов в атмосфере дуги зависит и от режима сварки. Увеличение длины дуги приводит к ухудшению защиты капель расплавленного металла, подсосу
Рис. 7-17. Влияние содержания кислорода на механические свойства металла шваРис. 7-17. Влияние содержания кислорода на механические свойства металла шваРис. 7-18. Изменение вязкости шлаков, образующихся при плавлении покрытий различных типов, в зависимости от температуры (А Гледхилл)Рис. 7-18. Изменение вязкости шлаков, образующихся при плавлении покрытий различных типов, в зависимости от температуры (А Гледхилл)
Рис. 7-17. Влияние содержания кислорода на механические свойства металла шва
Рис. 7-17. Влияние содержания кислорода на механические свойства металла шва
Рис. 7-18. Изменение вязкости шлаков, образующихся при плавлении покрытий различных типов, в зависимости от температуры (А Гледхилл)
Рис. 7-18. Изменение вязкости шлаков, образующихся при плавлении покрытий различных типов, в зависимости от температуры (А Гледхилл)
воздуха из окружающей атмосферы и повышению окисления металла (см. рис. 7-13).
Кислород в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства (рис. 7-17). С повышением содержания кислорода снижаются временное сопротивление, предел текучести, ударная вязкость, ухудшаются ковкость, коррозионная стойкость, жаропрочность и другие свойства металла шва. Выделение азота и водорода, а также окиси углерода из сварочной ванны является в основном причиной образования пор (см § 6-4)
Получение плотных швов может быть достигнуто либо путем снижения содержания газов в сварочной ванне ниже предела растворимости при температуре кристаллизации (плавления), либо обеспечением процесса дегазации металла сварочной ванны до момента кристаллизации. Первый способ обеспечения плотных швов реализуется при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием. Высокая температура прокалки, введение фторидов и карбонатов в покрытие, хорошее раскисление ванны обеспечивают низкое содержание водорода, азота и кислорода в металле шва.
При сварке электродами с рудно-кислым, рутиловым и органическим покрытиями сварочная ванна содержит большое количество газов (водорода, кислорода). Благодаря этому образование и выделение пузырьков газа (кипение ванны) происходит, когда металл находится в жидком состоянии и имеет малую вязкость. В этих условиях пузырьки свободно удаляются до момента кристаллизации металла и поры не образуются.
Взаимодействие металла со шлаком. При плавлении электродного покрытия образуется шлак. Сварочные шлаки характеризуются рядом свойств, к которым относят плотность, температурный интервал плавления, вязкость, поверхностное натяжение, 314
коэффициент линейного расширения и др. Свойства шлака определяются его химическим составом (табл. 7-15 и 7-16).
Для обеспечения необходимых технологических характеристик электрода, химического состава металла шва и его качества шлак должен удовлетворять определенным требованиям. Необходимо, чтобы шлак хорошо покрывал капли жидкого металла и сварочную ванну, что возможно лишь при хорошем смачивании металла шлаком. Смачиваемость зависит от поверхностного натяжения шлака и металла. Поверхностное натяжение сварочных шлаков и межфазное натяжение на границах шлак—металл и металл—газ оказывают значительное влияние на формирование швов и размеры капель электродного металла в дуговом промежутке.
Слой расплавленного шлака должен хорошо пропускать газы, выделяющиеся из сварочной ванны в процессе кристаллизации. При этом температурный интервал затвердевания шлака должен находиться ниже температуры кристаллизации металла.
Одним из важнейших технологических свойств электродов является возможность проведения сварки во всех пространственных положениях. Эта возможность в значительной степени зависит от вязкости шлака в расплавленном состоянии (рис. 7-18).
Шлаки с большим содержанием кремнезема (кривая /) являются «длинными», возрастание вязкости их с понижением температуры происходит медленно. Большие значения вязкости этих шлаков обусловлены наличием крупных кремнекислородных анионов типа [SKO^]2-, отличающихся малой подвижностью.
Шлаки покрытий фтористо-кальциевого типа содержат, как правило, малое количество кремнезема и являются «короткими». Возрастание вязкости со снижением температуры у них происходит быстро. Количество и размеры кремнекислородных анионов в шлаках этого типа невелико, и они обладают значительно меньшей вязкостью (кривые 3 и Д, чем шлаки с высоким содержанием кремнезема. Для шлаков, основанных на рутиле (кривая 2), вязкость резко уменьшается при снижении температуры.
Таблица 7-15
Примерный состав шлака некоторых электродных покрытий, % по массе
Тип покрытия
6
О
О
о
+ о £
О
О
о
5
О
+ о
S
>>
<
Рудно кислое
37,2
3,0
19,0
30,0
1,7
4,0
5
Рутиловое
27,0
43,2
6,0
3,7
14,7
2,2
0,3
3,0
—
Органическое
18,8
29
2
8,2
15
7
2
8
5
Фтористо кальциевое
15
9
—
4
5
—
27
34
4
2
Свойства шлаков электродов с различными покрытиям^ (по данным Окада и Фукая)
Свойства шлака
Тип покрытия
Органиче-
Рутиловое
Фтористо- кальциевое
Руднокислое
Условная температура плавления (точка перегиба на кривой охлаждения), °C
1153
1218
1157
1138
Вязкость при температуре 1500° С, Пз
10
10
7
10
Поверхностное натяжение при температуре 1500° С, дин/см
350—400
350—400
350—400
Коэффициент линейного расширения от температуры 200° С до точки перегиба, 1/°С
11,5-10-6
4,3-10-6
9,9-10-6
10,0 10-е
Удельная электрическая проводимость. Ом-1 - см-1.
при 1000°С
6,7
6,9
2,0
3,0
при 1500° С
9,8
11,0
6,5
5,6
Тепл опроводность, кал/см' °C с
при 100°С
2,8
2,7
2,9
2,7
при 400° С
5,8
2,0
8,0
4,4
Плотность, г/см3 при комнатной тем пературе
3,6
3,3
3,1
3,9
при 1300° С (жид кий)
2,2
2,2
2,0
3,1
Электроды, покрытия которых при расплавлении дают «длинные» шлаки, пригодны в основном для сварки в нижнем положении. Электроды с «короткими» шлаками применяют при сварке во всех пространственных положениях. При небольшом снижении температуры вязкость «короткого» шлака резко возрастает и шлак препятствует стеканию металла, находящегося в жидком состоянии. Получение шлака необходимой вязкости достигается подбором различных составляющих покрытия. Лучшие электроды для сварки в вертикальном и потолочном положении имеют покрытия рутилового типа.
Хорошая отделимость шлаковой корки с поверхности металла шва достигается применением шлаков, коэффициент линейного расширения которых существенно отличается от коэффициента линейного расширения металла. Кроме того, для хорошей отделимости шлака весьма важно, чтобы он имел малую окислительную способность и не содержал в своем составе шпинелеобразующих окислов.
Важной характеристикой состава шлака является оснОЁнОсТК Коэффициент основности шлака определяется обычно как соотношение количества основных окислов к кислым:
к _c%CaOHH%MgO)+_(%FeOm
Лосн (0/0SiO2) + (0/0T!O2) 1
В соответствии с ионной теорией строения шлаков мерой основности служит концентрация свободных ионов кислорода в жидком шлаке. В оксидном расплаве ионы кислорода могут быть связаны с двумя ионами кремния (Si—О—Si), с одним ионом кремния и одним ионом металла (Si—О—Me) или с двумя ионами металла (Me—О—Me). Свободными, т е. оказывающими окисляющее действие на металл, являются в сущности лишь ионы кислорода, связанные с ионами металла. Отсюда мерой основности компонентов шлака может быть принята их способность увеличивать концентрацию кислородных ионов в шлаке путем разрушения кремнекислородных комплексных соединений.
Взаимодействие между металлом и шлаком происходит на всех стадиях процесса сварки: при расплавлении стержня и покрытия на торце электрода; в дуговом промежутке; при всплывании частиц шлака в сварочной ванне, на поверхности раздела жидкий шлак — жидкий металл и жидкий шлак—твердый металл.
Одним из главных процессов взаимодействия является окисление расплавленного металла и ферросплавов.
следующими реакциями:(FeO) + [Мп] Т± (МпО) + [Fe];(7-2)2 (FeO) + [Si] ^ (SiO2) + [Fe];(7-3)2 (FeO) + [Ti] ^ (TiO2) + 2 [Fe],(7-4)(Fe2O8) + 3 [Mn] ^ 3 (MnO) + 2 [Fe];(7-5)(Fe2O3) + 2 [All (A12O3) + 2 [Fe](7-6)следующими реакциями:(FeO) + [Мп] Т± (МпО) + [Fe];(7-2)2 (FeO) + [Si] ^ (SiO2) + [Fe];(7-3)2 (FeO) + [Ti] ^ (TiO2) + 2 [Fe],(7-4)(Fe2O8) + 3 [Mn] ^ 3 (MnO) + 2 [Fe];(7-5)(Fe2O3) + 2 [All (A12O3) + 2 [Fe](7-6)В покрытиях рудно-кислого и органического типов окисление металла и ферросплавов происходит в результате их взаимодействия с окислами железа и марганца, находящимися в шлаке. В покрытии фтористо-кальциевого типа окисление ферросплавов происходит за счет взаимодействия с углекислым газом и образующимися в процессе плавления окислами железа. При сварке электродами с рутиловым покрытием в зависимости от состава покрытия возможно окисление металла и ферросплавов окислами шлаков, углекислым газом и парами воды. Процессы окисления расплавленного металла и ферросплавов шлаком можно описать
следующими реакциями:
(FeO) + [Мп] Т± (МпО) + [Fe];(7-2)
2 (FeO) + [Si] ^ (SiO2) + [Fe];(7-3)
2 (FeO) + [Ti] ^ (TiO2) + 2 [Fe],(7-4)
(Fe2O8) + 3 [Mn] ^ 3 (MnO) + 2 [Fe];(7-5)
(Fe2O3) + 2 [All (A12O3) + 2 [Fe](7-6)
следующими реакциями:
(FeO) + [Мп] Т± (МпО) + [Fe];(7-2)
2 (FeO) + [Si] ^ (SiO2) + [Fe];(7-3)
2 (FeO) + [Ti] ^ (TiO2) + 2 [Fe],(7-4)
(Fe2O8) + 3 [Mn] ^ 3 (MnO) + 2 [Fe];(7-5)
(Fe2O3) + 2 [All (A12O3) + 2 [Fe](7-6)
Если в покрытие введено сразу несколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются элементы, имеющие большее сродство к кислороду. По степени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Са, Al, Ti, Si, Мп, Fe Каждый пре-
317
Рис. 7-19.Изменение содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытием фтористо-кальциевого и руднокислого типов с различным содержанием ферромарганца (Д. Сефериан)Рис. 7-19.Изменение содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытием фтористо-кальциевого и руднокислого типов с различным содержанием ферромарганца (Д. Сефериан)Рис. 7-20.Зависимость между содержанием закиси железа в шлаках и содержанием кислорода в металле шва (в виде FeO):Рис. 7-20.Зависимость между содержанием закиси железа в шлаках и содержанием кислорода в металле шва (в виде FeO):
Рис. 7-19.
Изменение содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытием фтористо-кальциевого и руднокислого типов с различным содержанием ферромарганца (Д. Сефериан)
Рис. 7-19.
Изменение содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытием фтористо-кальциевого и руднокислого типов с различным содержанием ферромарганца (Д. Сефериан)
Рис. 7-20.
Зависимость между содержанием закиси железа в шлаках и содержанием кислорода в металле шва (в виде FeO):
Рис. 7-20.
Зависимость между содержанием закиси железа в шлаках и содержанием кислорода в металле шва (в виде FeO):
/ — покрытие фтористо -кальциевого типа;
2 — покрытие рудно-кислого типа (Л. М. Яро винский н В. В. Баженов)
дыдущий элемент этого ряда будет восстанавливать окислы последующих элементов при температурах, до которых нагреваются жидкие шлак и металл в процессе сварки.
Направление реакций (7-2) — (7-6) зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и активности отдельных составляющих покрытия. Например, при сварке электродами с рутиловым покрытием реакция (7-3) может протекать влево, при этом кремний восстанавливается железом и переходит в металл шва. Этот процесс в общем виде может быть описан реакцией
(SiO2) +2 [Me] [Si] + 2 (МеО),
где Me—Ее, Мп, Ti, А1 и др.
При сварке покрытыми электродами кремневосстановительный процесс получает развитие преимущественно на стадии капли, когда металл и шлак имеют высокую температуру. В жидкой ванне, особенно в хвостовой части, в результате охлаждения металла происходит окисление кремния. Интенсивность протекания кремневосстановительного процесса в большой степени зависит от состава шлака и его основности. Увеличение основности шлака способствует подавлению кремневосстановительного процесса вследствие снижения активности SiO2.
Степень окисления ферросплавов зависит от состава покрытия. На рис. 7-19 приведены данные об изменении содержания марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с покрытиями фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов, содержащими различное количество низкоуглеродистого ферромарганца. Окислительная способность рудно-кислого покрытия значительно выше, чем фтористо-кальциевого.
В зависимости от количества окислов железа в шлаке изменяется содержание кислорода в наплавленном металле. Соотношение между концентрацией окислов железа в шлаке и концентрацией кислорода в жидком металле определяется законом распределения. Константа распределения зависит от состава шлака и температуры и описывается уравнением
. _ [FeO]FcO — (FeO) •
На рис. 7-20 приведены данные о содержании кислорода в металле при различном содержании закиси железа в шлаке фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов. Даже небольшие количества закиси железа в.шлаке электродов с фтористо-каль- циевым покрытием приводят к растворению в металле шва значительного количества кислорода, тогда как окисляющая способность закиси железа в шлаке электродов рудно-кислого типа значительно меньше. В шлаках фтористо-кальциевого типа закись железа находится в свободном состоянии и обладает большой активностью, в шлаках рудно-кислого типа она связана преимущественно в виде силикатов железа.
Окисленный во время сварки металл необходимо раскислить, т. е. удалить из него кислород, находящийся в металле в виде различных окислов. Процессы раскисления и окисления происходят при сварке одновременно. Наиболее полно процесс раскисления произойдет в том случае, если окислы, попадая в шлак, связываются в сложные соединения, не растворимые в стали (силикаты, алюмосиликаты). В связи с большой скоростью кристаллизации сварочной ванны значительная часть образующихся окислов — продуктов раскисления не успевает всплыть и остается в металле шва в виде неметаллических включений. Полнота удаления продуктов раскисления из жидкого металла в большой степени зависит от их состава и свойств. Количество кислорода, находящегося в металле шва в виде неметаллических включений, зависит от состава покрытия (рис. 7-21).
Приведенные в табл. 7-17 данные показывают, что наиболее полное удаление продуктов раскисления имеет место при сварке электродами с фтористо-кальциевым и рутиловым покрытиями.
Рис. 7-21. Зависимость содержания общего [О] и растворенного кислорода [FeO] в наплавленном металле от молярной доли [FeO] в покрытии электродов различного типа:
— фтористо-кал ьциевое;
— рутиловое,
— органическое,
— ильменитовое,
— рудно-кислое
Общее и истинное содержание марганца и кремния в металле, наплавленном электродами с покрытиями различных типов, %
Тип покрытия
|
g
В
о
8
1
55
55
Рудно-кислое
0,41
0,33
80
0,08
0,04
50
Рутиловое
0,69
0,65
94
0,04
0,37
93
Органическое . . . .
0,33
0,28
85
0,14
0,09
64
Фтористо-кальциевое
0,78
0,75
96
0,54
0,52
96
Весьма вредными примесями в металле шва являются сера и фосфор. В металл шва сера и фосфор попадают из основного металла, электродного стержня и покрытия. Коэффициенты перехода серы из основного металла, электродного стержня и покрытия неодинаковы. Из основного металла сера почти полностью переходит в металл шва. Переход серы из стержня меньше, чем из основного металла, но значительно больше, чем из покрытия. Это свидетельствует о неодинаковой интенсивности взаимодействия расплавленных основного и электродного металлов со шлаком.
Сварочные шлаки вследствие своей сравнительно низкой основности не способны связать значительное количество фосфора и серы. Ввиду этого для получения металла шва высокого качества с малым содержанием серы и фосфора следует применять электродные стержни и составляющие покрытия с минимальным содержанием этих элементов.
Электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют преимущественно электроды с рудно-кислым, рутиловым, органическим и фтористо-кальциевым покрытиями. Наибольшее распространение в нашей стране получили электроды с рутиловым покрытием. Доля электродов с рутиловым покрытием в настоящее время составляет около 70% общего выпуска электродов. Для сварки особо ответственных конструкций применяют главным образом электроды с фтористо-кальциевым покрытием. Доля отечественных электродов с органическим покрытием невелика. Эти электроды применяют главным образом при строительстве магистральных трубопроводов. Все более широкое распространение получают высокопроизводительные электроды с железным порошком в покрытии на рутиловой и фтористо-кальциевой шлакообразующей основе.
Все указанные электроды изготовляют с использованием сварочной проволоки Св-08 и Св-08А. Легирование металла шва
при сварке электродами этой группы осуществляется путем введения легирующих составляющих в покрытие.
Электроды со стабилизирующим покрытием. Стабилизирующее покрытие наносят на электродный стержень тонким слоем. Масса покрытия составляет обычно 1—2% массы стержня.
Повышение устойчивости горения дуги достигается введением в состав покрытия соединений калия и натрия (хромата, бихромата, силиката, карбоната и др.), а также карбонатов кальция, магния или бария. Наличие в покрытии солей щелочных и щелочноземельных металлов приводит к уменьшению энергии, выделяемой на катоде при сварке постоянным током прямой полярности, вследствие чего резко снижается скорость плавления электрода.
Из-за больших потерь от угара и разбрызгивания, малой скорости расплавления, отсутствия возможности производить сварку на повышенных токах электроды со стабилизирующим покрытием обладают весьма низкой производительностью.
Механические свойства металла шва, сваренного электродами со стабилизирующим покрытием, низкие и практически не отличаются от свойств металла шва, сваренного голой проволокой. Вследствие этого электроды со стабилизирующим покрытием применяют чрезвычайно редко, лишь для сварки неответственных изделий.
Электроды с рудно-кислым покрытием. Шлакообразующую основу рудно-кислого покрытия составляют окислы железа и марганца (преимущественно в виде руд) и различные алюмосиликаты (полевой шпат, пегматит, гранит и др.). Газовая защита расплавленного металла в основном обеспечивается за счет разложения органических составляющих покрытия (оксицеллюлозы, крахмала, декстрина, древесной муки). Раскисление металла осуществляется марганцем, который вводят в покрытие в виде ферромарганца. При сварке электродами с рудно-кислым покрытием активно протекают реакции окисления марганца (7-2) и железа:
Fe2O3 + Fe = 3FeO.(7-7)
Реакция (7-7) приводит к обогащению жидкого металла кислородом. Значительное количество теплоты, выделяющейся при окислении марганца, обеспечивает высокую скорость расплавления электрода. Основная часть марганца в ферромарганце в процессе сварки окисляется, и лишь небольшая часть переходит в металл шва. Металл, наплавленный электродами с рудно-кислым покрытием, по химическому составу чаще всего соответствует кипящей стали и содержит до 0,12% С, до 0,10% Si, 0,6—0,9% Мп, до 0,05% S и до 0,05% Р. Содержание газов обычно находится в следующих пределах: 0,09—0,12% кислорода, 0,015—0,025% азота, 20—25 см3/100 г водорода.
Электроды с рудно-кислым покрытием позволяют производить сварку переменным и постоянным током. При нормальной толщине покрытия (коэффициент массы покрытия 30—40%) эти электроды пригодны для сварки во всех пространственных положе- 21 Заказ № 782321
Технологические характеристики электродов с покрытием рудно-кислого типа
Марка электрода
Коэффициент наплавки, г/А*ч
Коэффициент потерь, %
Коэффициент набрызгивания, %
ОММ-5
6,5—7,2
15—20
10—14
ЦМ7
9,0—10,0
10—20
8—15
ЦМ7с
10,0—12,5
5—15
—
ЦМ8
9,0—11,0
8—10
—
ниях. При большой толщине покрытия электроды применяются только для сварки в нижнем положении. В табл, 7-18 приведены некоторые технологические характеристики электродов с руднокислым покрытием.
Металл швов, выполненных электродами с рудно-кислым покрытием, склонен к образованию кристаллизационных трещин. Это обусловлено высоким содержанием в нем газов и неметаллических включений.
Шлаки, образующиеся при расплавлении рудно-кислых покрытий, обладают сравнительно небольшой способностью обессеривать металл шва. По вышеизложенным причинам электроды с рудно-кислым покрытием не рекомендуется применять для сварки сталей с повышенным содержанием серы и углерода, а также для сварки жестких конструкций, в которых могут возникать значительные напряжения.
Электроды с рудно-кислым покрытием позволяют сваривать металл с ржавыми кромками и окалиной, вести сварку удлиненной дугой и обеспечивают при этом получение плотных швов. Поры при сварке электродами этого типа могут возникать при чрезмерно высокой температуре их прокалки, при повышенном содержании марганца в покрытии, при сварке сталей с высоким содержанием кремния или серы.
Высокотемпературная прокалка рудно-кислого покрытия способствует снижению парциального давления водорода и паров воды в атмосфере дуги, а следовательно, и снижению содержания водорода в сварочной ванне. В результате степень пересыщения металла газом уменьшается и при снижении температуры расплавленного металла процесс дегазации идет медленно. Вялое кипение не обеспечивает дегазации металла до момента кристаллизации, и в металле образуются поры.
Высокотемпературная прокалка электродов и чрезмерное раскисление марганцем способствуют развитию кремневосстановительного процесса и повышению концентрации кремния в жидком металле. Кремний, будучи поверхностно-активным элементом, адсорбируется на поверхности металла и ухудшает условия дегазации. Выделение газов при этом протекает медленно, что вызы-
322
вает образование пор. Аналогичное влияние на условия дегазации металла оказывает сера, которая также обладает поверхностной активностью.
По механическим свойствам металла шва и сварного соединения электроды с рудно-кислым покрытием, как правило, относятся к типу Э42 (ГОСТ 9467—60). До недавнего времени электроды с рудно-кислым покрытием были наиболее массовыми. Наличие в покрытии значительного количества окислов железа и ферромарганца при сварке этими электродами обусловливает выделение в зону дыхания сварщика большого количества токсичных соединений марганца. В связи с повышенной токсичностью объемы выпуска электродов с рудно-кислым покрытием в последние годы резко сократились. Их заменили электроды с рутиловым покрытием.
Электроды с рутиловым покрытием. Шлакообразующую основу рутиловых покрытий составляют рутиловый концентрат, различные алюмосиликаты (слюда, полевой шпат, каолин и др.) и карбонаты (мрамор, магнезит). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается за счет разложения органических составляющих покрытия, а также карбонатов. Раскисление металла осуществляется главным образом марганцем, вводимым с ферромарганцем.
Известные рутиловые покрытия условно можно разделить на две подгруппы: рутилалюмосиликатные и рутилкарбонатные. Шлакообразующую основу покрытий первой подгруппы составляют рутил и различные алюмосиликаты. Содержание карбонатов в них, как правило, не превышает 5%. Покрытия второй подгруппы содержат 10—15% карбонатов. В рутиловых покрытиях основными окислителями являются пары воды и углекислый газ.
Важное значение имеют окислительно-восстановительные реакции марганца и кремния, в значительной мере определяющие наличие силикатных неметаллических включений в металле шва, а следовательно, и его механические свойства. При сварке электродами с рутилкарбонатным покрытием кремневосстановительный процесс получает меньшее развитие, чем при сварке электродами с рутилалюмосиликатным покрытием. Этому способствуют более высокие основность шлака и окислительный потенциал атмосферы дуги.
С увеличением основности шлака снижается количество неметаллических включений и кислорода в металле шва (рис. 7-22), повышаются его пластические свойства и стойкость против образования кристаллизационных трещин. На рис. 7-23 приведена зависимость ударной вязкости металла шва от основности шлака.
Благодаря указанным факторам электроды с рутилкарбонатным покрытием обеспечивают более высокое качество металла шва, чем электроды с рутилалюмосиликатным покрытием. Рутилкарбонатные покрытия имеют отечественные электроды марок 21*323
Рис. 7-22. Влияние основности рутилового шлака на содержание кислорода и кремния в металле шва
а^кгсм1смг
Рис. 7-23. Влияние основности шлака рутиловых электродов на ударную вязкость металла швов
АНО-3, АНО-4, АНО-5, АНО-12, МР-1, МР-3; рутилалюмосили- катные покрытия — электроды АНО-1, ОЗС-З, ОЗС-4, ОЗС-6, ЦМ-9.
Металл, наплавленный электродами с рутиловым покрытием, по химическому составу соответствует полуспокойной или спокойной стали и содержит до 0,12% С; 0,5—0,8% Мп; 0,Io- О.30 % Si; до 0,05% S и до 0,05% Р. Содержание газов в металле швов, выполненных электродами с рутиловым покрытием, обычно находится в следующих пределах: 0,05—0,10% кислорода, 0,015— 0,025% азота, 25—30 см®/100 г водорода.
Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами: обеспечивают отличное формирование швов с плавным переходом к основному металлу, малые потери металла от разбрызгивания, легкую отделимость шлаковой корки, стабильное горение дуги при сварке на переменном и постоянном токе любой полярности. Металл шва, сваренного электродами с рутиловым покрытием, мало склонен к образованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке влажного и ржавого металла, при сварке по окисленным поверхностям. Причины образования пор при сварке электродами этого типа такие же, как и при сварке электродами с рудно-кислым покрытием. Стойкость металла швов против образования кристаллизационных трещин несколько выше, чем у электродов с рудно-кислым покрытием.
В зависимости от толщины покрытия электроды могут быть предназначены для сварки либо во всех пространственных положениях, либо только в нижнем положении; от толщины покрытия зависят и технологические свойства электродов. По технологическим свойствам и содержанию железного порошка в покрытии электроды условно могут быть разделены на три группы (табл, 7-19).
Технологические характеристики отечественных электродов с рутиловым покрытием
Показатель
Группа
I
И
Ш
Количество железного порошка в покрытии, %
0—20
30—35
50—65
Марки электродов
АНО-4, АНО-3,
АНО-5, ОЗС-6,
АН0-1, ОЗС-З,
Положение швов в пространстве
МР-3, АНО-12,
ОЗС-4, МР-1, РБУ-4, ЦМ-9, ОЗС-12
Любое
ЗРС-2, РБУ-5
Любое,
ЗРС-1
Нижнее,
Коэффициент массы покрытия, %
Коэффициентнаплавки,
г/(А-ч)
35—50
преимущественно нижнее
50—65
наклонное
100—180
8,0—9,0
9,0—12,0
12,0—18,0
Производительностьна
плавки для электрода диаметром 4 мм, г/мин . . .
23—30
35—40
65—70
В покрытиях электродов первой группы железный порошок введен в небольших количествах (до 15—20%) с целью улучшения сварочно-технологических свойств электродов, а именно: устойчивости горения дуги, равномерного плавления покрытия, снижения разбрызгивания расплавленного металла и т. д. Производительность электродов при этом возрастает мало. Основное назначение электродов первой группы — сварка металлов средней толщины (3—12 мм) в монтажных и заводских условиях, где преобладают короткие и криволинейные швы, расположенные в различных пространственных положениях.
В покрытиях электродов второй группы железный порошок содержится в количестве 30—35%. Введение в покрытие такого количества железного порошка с одновременным увеличением толщины покрытия (до определенных пределов) позволяет не только улучшить сварочно-технологические свойства электродов, но и повысить их производительность. Электроды второй группы называют универсальными электродами повышенной производительности.
Этими электродами можно сваривать во всех пространственных положениях, но наиболее эффективно их применение в заводских условиях, где большинство швов сваривают в нижнем положении, Электроды второй группы следует применять при
325
Рис. 7-24.
Количество пыли и окислов марганца, выделяющихся при сжигании 1 кг электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями
сварке швов большой протяженности с большим катетом при толщине основного металла 10—20 мм.
Электроды третьей группы (с высоким содержанием железного порош-
Электробыка) называют высоко
производительными. Эти электроды пригодны для сварки конструкций только в нижнем или наклонном положениях. Рекомендуются главным образом для заводской сварки при наличии швов большой протяженности.
В отличие от рудно-кислых рутиловые покрытия обеспечивают более благоприятные санитарно-гигиенические характеристики электродов. На рис. 7-24 приведены данные о выделении пыли и токсичных окислов марганца при сварке электродами с рутиловым и рудно-кислым покрытиями различных марок.
По механическим свойствам металла шва и сварного соединения электроды с рутиловым покрытием чаще всего относятся к типам Э42-Э46 и предназначены для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (табл. 7-20).
Благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам, механическим свойствам металла шва и благоприятным санитарногигиеническим характеристикам электроды с рутиловым покрытием получили очень большое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Широкое внедрение этих электродов взамен электродов с рудно-кислым покрытием позволило корен-
Таблица 7-20
Механические свойства металла швов, выполненных отечественными электродами с рутиловым покрытием
Марка электрода
Тип покрытия
кгс/мм2
кгс/мм2
6, %
ан, кгс«м/см* при температуре
4-20° с
—40» С
АНО-4
Рутил- карбонатное
38—40
47—49
25—28
14—16
9—11
АНО-5
То же
35—38
45—50
24—28
12—15
8—10
МР-3
»
37—39
47—49
24—28
14—16
8—10
ОЗС-4
Рутил-алюмо- силикатное
37—39
47—50
22—24
10—13
6—8
НЫМ образом улучшить сйнитарно-ГиГиенийескиё условия Труда сварщиков и рабочих смежных профессий и дало народному хозяйству большой экономический эффект.
Электроды с ильменитовым покрытием. Название это покрытие получило от минерала ильменита (ГеО-ТЮ2). Концентрат ильменита является основной составляющей покрытия, в которое могут входить также марганцевая руда, алюмосиликаты, карбонаты, ферросплавы и органические составляющие.
В нашей стране к этой группе можно отнести электроды марок ОММ-5 и СМ-5, покрытия которых иногда относят к руднокислому типу. Шлакообразующую основу этих покрытий составляет ильменитовый концентрат Кусинского месторождения, содержащий до 50% окислов железа. Указанные электроды имеют ряд серьезных недостатков — повышенное разбрызгивание металла, неблагоприятные гигиенические характеристики и т. п., что обусловлено высоким содержанием окислов железа в покрытии. Использование ильменитового концентрата Самотканского месторождения, содержащего не более 30—35% окислов железа, позволило создать новые электроды.
Низкое содержание окислов железа в покрытии позволило улучшить сварочно-технологические и гигиенические характеристики электродов и качество выполняемых ими швов. Новые электроды с ильменитовым покрытием, которым присвоена марка АНО-6, предназначены для сварки низкоуглеродистых сталей во всех пространственных положениях. Они рекомендованы для работы в монтажных условиях и для заводской сварки. По сварочно-технологическим свойствам электроды АНО-6 приближаются к электродам с рутиловым покрытием. По механическим свойствам металла шва они относятся к типу Э42 по ГОСТ 9467—60. Производительность электродов АНО-6 на 15— 20% выше, чем электродов типа ОММ-5. Они выпускаются в больших количествах и применяются в различных отраслях промышленности.
Электроды с фтористо-кальциевым покрытием. Шлакообразующую основу фтористо-кальциевого покрытия составляют плавиковый шпат (CaF2) и карбонаты кальция и магния (мрамор, мел, магнезит). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается за счет углекислого газа, образующегося при разложении карбонатов. Раскисление металла осуществляется марганцем, кремнием, титаном или алюминием, вводимыми в покрытие в виде соответствующих ферросплавов или металлических порошков.
Главным окислителем при сварке электродами с фтористо- кальциевым покрытием является газовая фаза. Шлаки имеют низкую концентрацию окислов железа и поэтому не играют существенной роли в окислении жидкого металла. Применение активных раскислителей (кремния, титана, алюминия) обеспечивает низкое содержание кислорода в жидком металле. Хорошая рафи-
327
пирующая способность фтористо-кальциевых шлаков, обусловленная их высокой основностью и низкой вязкостью, способствует почти полному удалению из расплавленного металла продуктов раскисления. Благодаря этому содержание кислорода в металле шва составляет 0,03—0,05 %, а количество неметаллических включений не превышает 0,1%.
Содержание азота в металле шва при этом находится в пределах 0,010—0,015%. Однако при удлинении дуги содержание азота в металле шва значительно возрастает. Объясняется это тем, что фтористо-кальциевые шлаки плохо покрывают капли электродного металла и сварочную ванну и не обеспечивают надежной шлаковой защиты металла от воздуха. Электроды с фто-- ристо-кальциевым покрытием обеспечивают низкое содержание водорода (5—7 см3/100 г) в металле. Поэтому их часто называют «низководородными».
Удлинение дуги ухудшает газовую защиту, вследствие чего в расплавленном металле увеличивается содержание азота, который, выделяясь при кристаллизации сварочной ванны, вызывает: пористость швов. Для предупреждения пористости необходимо производить сварку короткой дугой.
Металл, наплавляемый электродами с фтористо-кальциевым покрытием, по химическому составу соответствует спокойной стали. Содержание марганца и кремния зависит от назначения электродов и колеблется в пределах 0,5—1,5% Мп и 0,3—0,6% Si. Содержание серы и фосфора не превышает 0,035% каждого. Низкое содержание этих элементов обусловлено повышенной рафинирующей способностью фтористо-кальциевых шлаков. Благодаря малому содержанию газов, неметаллических включений и вредных примесей металл швов, выполненных электродами с фтористо- кальциевым покрытием, стоек против старения, имеет высокие показатели ударной вязкости как при положительных, так и при отрицательных температурах и обладает повышенной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Эти электроды особенно пригодны для сварки металла большой толщины, жестких конструкций из литых углеродистых, низколегированных высокопрочных сталей и сталей с повышенным содержанием серы и углерода.
Металл, наплавленный электродами с фтористо-кальциевым покрытием, весьма чувствителен к образованию пор при наличии ржавчины или масла на кромках свариваемых изделий, а также при увлажнении покрытия и удлинении дуги. Для получения плотного металла необходимо, чтобы влажность фтористо-каль- циевого покрытия, определенная после прокалки при температуре 400° С, не превышала 0,2%. Поскольку при транспортировке и хранении электроды могут адсорбировать влагу из окружающей атмосферы, перед сваркой их необходимо подвергать прокалке при температуре 300—350° С. Кромки металла следует очищать от ржавчины и загрязнений.
Марка электрода
Род тока и полярность
Коэффициент наплавки, г/(А-ч)
Коэффициент потерь, %
Коэффициент набрызгивания, %
УОНИ-13/45
Постоянный, обрат-
8—9
5—9
3—6
ной полярности
АНО-7
То же
8—9
3—7
1,5—3
СМ-11
»
9—10
—
1,5—3
Сварочно-технологические характеристики отечественных электродов с фтористо-кальциевым покрытием
Примечание. Коэффициент массы покрытия электродов 30—40%
В зависимости от назначения электроды с фтористо-кальциевым покрытием можно применять для сварки во всех пространственных положениях или только в нижнем положении. Сварку этими электродами производят, как правило, постоянным током обратной полярности. Разработано несколько марок электродов этого типа для сварки переменным током. В покрытие таких электродов введены обычно соединения калия (поташ, калиевое стекло и др.). Наибольшее распространение получили электроды марок УОНИ-13/45 и УОНИ-13/55. Однако эти электроды, как и многие другие электроды с фтористо-кальциевым покрытием, недостаточно технологичны в изготовлении. В последние годы созданы новые марки электродов этого типа АНО-7 и АНО-8 с покрытиями, более технологичными в изготовлении (табл. 7-23).
Регулирование механических свойств металла шва осуществляется введением в покрытие различного количества ферромарганца и ферросилиция, чем достигается изменение степени легирования металла марганцем и кремнием. При необходимости металл шва легируют также хромом, молибденом и другими элементами. Путем сравнительно небольшого легирования можно изменять механические свойства металла шва в широких пределах (табл. 7-22).
Электроды с органическим покрытием. Покрытия органического типа содержат большое количество органических составляющих, разлагающихся в процессе плавления электрода и обеспечивающих- газовую защиту расплавленного металла.
Таблица 7-22
Влияние легирующих элементов на механические свойства металла шва
Содержание, %
в в
с
Si
Мп
Сг
Мо
о х
0,08 0,08 0,08 0,08 0,12
0,15
0,5 0,5 0,5 0,5
0,5 0,5
0,5 1,5 0,7 1,5
0,8 0,8
1,0
1,0
0,6
0,5
0,5
0,2
48
55
60
70
80
90
35
30
25
25
15
12
Механические свойства швов, выполненных некоторыми электродами с фтористо-кальциевым покрытием
Марка электрода
Тип электрода по ГОСТ 9467—60
кгс/мм2
"в- кгс/мм2
6. %
аи, кгс-м/см2 при температуре, °C
4-20
-40
УОНИ-13/45 ..
Э42А
35—38
45—50
25—30
22—26
16—20
У ОНИ-13/55 . . .
Э50А
40—44
52—54
24—28
18—22
12—16
СМ-11
Э42А
36—38
48—50
26—29
20—25
14—17
АНО-7
Э50А
40—44
52—56
26—30
20—25
14—16
АНО-8 . . . .
Э46А
37—40
48—52
28—33
22—27
15—20
Шлакообразующими добавками являются рутил, титановый концентрат, марганцевая руда, алюмосиликаты и карбонаты. Раскислителем служит ферромарганец. Электроды этого типа имеют, как правило, небольшую толщину покрытия (коэффициент массы покрытия — 15—25%) и при сварке образуют небольшое количество шлака. Эти электроды особенно пригодны для сварки во всех пространственных положениях (на монтаже) и при недостаточно хорошей сборке конструкций. Они могут применяться при сварке постоянным и переменным током.
Особенностью электродов этого типа являются очень большие (до 20%) потери расплавленного металла от разбрызгивания. Органическое покрытие не допускает перегрева в процессе сушки и при сварке. Выгорание органических составляющих покрытия при его перегреве приводит к изменению химического состава металла шва по его длине. Металл, наплавленный электродами с органическим покрытием, по химическому составу соответствует полуспокойной или спокойной стали. Содержание газов обычно находится в следующих пределах: 0,04—0,10% кислорода, 0,01— 0,02% азота, 25—35 см3/100 г водорода. По механическим свойствам металла шва электроды с органическим покрытием соответствуют типам Э42—Э50.
В нашей стране электроды с органическим покрытием применяют главным образом для сварки трубопроводов в монтажных условиях. Наибольшее распространение получили электроды ВСЦ-4 и ВСЦ-4А, специально предназначенные для сварки первого слоя шва поворотных и неповоротных стыков трубопроводов из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (табл. 7-24).
Электроды для сварки с глубоким проваром. Покрытие электродов этого вида содержит значительное количество оксицеллюлозы (5—30%), двуокиси титана (чаще всего в виде рутила) и карбоната железа (FeCO3); его наносят на стержень слоем большой толщины (коэффициент массы покрытия достигает 80—100%). В качестве шлакообразующей основы часто используют также 330
Механические свойства металла шво0, выполненных электродами ВСЦ-4 и ВСЦ-4А
Марка электрода
Тип электрода по ГОСТ 9467—60
2
2
о"«
2
2
о” *
ан, кгс-м/см2 при температуре, °C
20+
-20
—40
-60
ВСЦ-4. . .
Э42-0
35—49
44—52
20—28
11—16
9—13
7—10
4—6
ВСЦ-4А
Э50-0
40—48
51—60
18—28
10—16
9—14
7—9
4—5
покрытие рудно-кислого типа. Для электродов с глубоким проваром характерна большая втулочка из нерасплавившегося покрытия на конце электрода. При нагреве органических составляющих покрытия происходит их разложение с образованием газов. Большое количество выделяемой в дуге энергии и мощный газовый поток обеспечивают глубокое проплавление металла.
Высокопроизводительные электроды. Характерной особенностью высокопроизводительных электродов является высокое содержание железного порошка в покрытии (40—60%) и большая толщина покрытия (коэффициент массы покрытия составляет 120—180%). Высокая производительность электродов достигается за счет дополнительного металла, содержащегося в покрытии, снижения потерь металла от разбрызгивания и более высоких допустимых сварочных токов.
На рис. 7-25 приведены данные по производительности электродов, содержащих различное количество железного порошка в покрытии. При сварке на оптимальных токах производительность электродов с содержанием 50% железного порошка в 1,5—• 2 раза выше, чем электродов без порошка. Существенную роль в увеличении производительности процесса играет и более высокая мощность сварочной дуги.
Плавление покрытия высокопроизводительных электродов сопровождается образованием на торце электрода глубокой втулочки
из неоплавившегося покрытия (рис. 7-26), которая, экранируя столб дуги, увеличивает его длину и мощность. В результате
Рис. 7-25. Производительность рутиловых электродов с разным содержанием железного порошка в покрытии:
- 50%:
- 30%;
— 0% железного порошка. Значения допустимых токов — на пересечении прямых с линией АВ (Д. Л Матиас)
Рис. 7-26.Влияние толщины покрытия на размеры втулочки и длину дугиРис. 7-26.Влияние толщины покрытия на размеры втулочки и длину дуги
Рис. 7-26.
Влияние толщины покрытия на размеры втулочки и длину дуги
Рис. 7-26.
Влияние толщины покрытия на размеры втулочки и длину дуги
мощность столба дуги, роль которого в плавлении тонкопокрытых электродов невелика, оказывает существенное влияние на скорость плавления и на производительность электродов с железным порошком в покрытии и большим коэффициентом массы покрытия. Коэффициент наплавки высокопроизводительных электродов с железным порошком составляет в зависимости от диаметра стержня, режима сварки и коэффициента массы покрытия 12—■ 20 г/А-ч. В электродах некоторых марок масса наплавленного металла в 1,5—-2 раза превышает массу электродного стержня.
В качестве шлакообразующей основы высокопроизводительных электродов используют покрытия рудно-кислого, фтористо- кальциевого или рутилового типов. В нашей стране наибольшее распространение получили высокопроизводительные электроды с рутиловым покрытием (табл. 7-25).
Для сварки высокопроизводительными электродами зачастую необходимы источники питания с повышенным напряжением холостого хода. На рис. 7-27 приведена зависимость напряжения дуги от силы тока при сварке высокопроизводительными электродами и обычными электродами с рудно-кислым покрытием. По механическим свойствам металла шва и сварного соединения высокопроизводительные электроды чаще всего соответствуют типу Э42—Э50 (рутиловая или рудно-кислая шлакообразующая основа) и Э50А (фтористо-кальциевая шлакообразующая основа). Их рекомендуется применять для сварки в заводских условиях
Таблица 7-25
Технологические свойства некоторых высокопроизводительных электродов
Марка электрода
Тип электрода по ГОСТ 9467—60
Вид покрытия
Коэффициент наплавки, г/(А.ч)
Коэффициент набрызгивания, %
Выход наплавлен- металла, %
АНО-1
АН0-10
Э42
Э50А
Рутиловое Фтористо-каль- циевое
15—17
12—13
1,5—3,5
2,0—3,5
150—180
140—160
Рис. 7-27. Зависимость напряжения Дугй от сй- лы тока при сварке электродами различных типов:
1 — 3 — высокопроизводительные электроды с диаметром стержня соответственно 3,25, 4 и 5 мм,
4—7 — обычные электроды с руднокислым покрытием и диаметром стержня соответственно 3 25, 4, 5 и 6 мм
конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, где преобладают швы большой длины.
Электроды для сварки вертикальных швов способом сверху вниз. Ручную дуговую сварку вертикальных швов выполняют, как правило, способом снизу вверх. Сила сварочного тока обычно не превышает 140—160 А, что вызвано необходимостью ограничения объема и жидкотекучести сварочной ванны. Возможности
электрода при этом используются не полностью, производительность сварки снижается. Способ сварки сверху вниз позво
ляет значительно повысить силу тока и производительность (рис. 7-28).
Для сварки способом сверху вниз необходимо обеспечить такие физико-химические свойства шлака и металла (вязкость, межфазное натяжение на границе раздела шлак—металл и др.), которые способствовали бы малой жидкотекучести сварочной ванны, хорошему формированию металла шва, получению необ
ходимого провара.
К этой группе относятся электроды марки АНО-9 (тип Э50А-Ф). Они рекомендуются специально для высокопроизводительной сварки способом сверху вниз угловых, нахлесточных и стыковых швов, находящихся на вертикальной плоскости. При этом обеспе
чиваются отличное формирование металла шва, незначительные потери металла от разбрызгивания и самопроизвольное отделение шлаковой корки. Провар умеренный. Линейная скорость сварки однопроходных швов электродами АНО-9 в 1,8—2 раза, а многопроходных в 1,2—1,3 раза больше, чем скорость сварки однотип
ных швов способом снизу вверх известными электродами типа Э50А-Ф.
Электроды для сварки вертикальных швов способом сверху вниз применяются в судостроении, вагоностроении и других отраслях промышленности.
Электроды для сварки легированных сталей. Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей подразделены в соответствии с ГОСТ 9467—60 на семь типов, отличаю-
Рис. 7-28. Схема сварки вертикальных швов способом сверху вниз
щихся механическими свойствами после термообработки и химическим составом металла шва (табл. 7-26). Электроды этой группы имеют обычно фтористо-кальциевое покрытие. Исключение составляют электроды ЦЛ-6 иЦЛ-14, которые имеют рудно-кислые покрытия. Легирование металла шва осуществляется как через покрытие, так и через стержень. В связи с наличием структурных превращений и закалочных явлений в основном металле сварку электродами этой группы, как правило, следует выполнять с предварительным и сопутствующим подогревом изделий. После сварки необходима термообработка сварных соединений или изделия в целом, чаще всего в виде высокотемпературного ртпуска, а иногда нормализации с отпуском (табл. 7-27).
Электроды для сварки среднелегированных высокопрочных сталей. Особенностью сварки сталей этой группы является большая склонность швов и сварных соединений к образованию кристаллизационных и холодных трещин, а также к хрупкому раз-
Таблица 7-26
Свойства металла швов, выполненных электродами для сварки теплоустойчивых сплавов (ГОСТ 9467—60)
Типы электродов
Содержание, %
с
Si
Мп
Сг
Мо
э-м
э-мх э-хм Э-ХМФ Э-ХМФБ....
Э-Х2МФБ....
Э-Х5МФ....
0,06—0,12 0,06—0,12 0,06—0,12 0,08—0,13 0,08—0,13 0,08—0,13 0,08—0,13
=50,35
=50,35 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45
0,4—0,8 0,4—0,8 0,5—0,9 0,5—0,9
0,5—0,9 0,5—0,9 0,5—0,9
0,3—0,6 0,7—1,0 0,8—1,2 1,0—1,4
2,4—3,0
4,5—5,0
0,4—0,7
0,4—0,7
0,4—0,7
0,4—0,7
0,7—1,0
0,7—1,0
0,4—0,7
Типы электродов
Содержание, %
Механические свойства при температуре 4-20° С
V
Nb
S
Р
2 2
2
*2
аик
Не более
э-м э-мх э-хм Э-ХМФ Э-ХМФБ....
Э-Х2МФБ....
Э-Х5МФ....
0,10—0,35
0,15—0,40
0,25—0,50
0,10—0,35
0,10—0,25
0,35—0,65
0,05 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
0,05
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
50
50
50
50
55
55
55
18
18
16
16
14
14
14
8
8
8
8
6
6
6
Примечание. Нормы механических свойств указаны после термообработки, соответствующей паспорту иа электроды.
Типичные механические свойства металла швов, выполненных электродами для сварки теплоустойчивых сталей
Марка электрода
Тип электрода по ГОСТ 9467—60
Температура испытаний, °C
ат- кгс/мм2
"в- кгс/мм2
6. %
Ф. %
ан’ кгс-м/см2
ЦЛ-14
Э-МХ-Р
20
40,1
51,0
25,7
69,8
15,0
550
26,9
36,5
22,6
66,0
4,8
ГЛ-14
Э-МХ-Ф
20
38
53
19
—.
9
ЦЛ-30-63
Э-ХМ-Ф
20
50
65
16
50
12
ЦЛ-20-63
Э-ХМФ-Ф
20
48
59
20
67
14,4
540
36
48
17,4
66
9,3
ЦЛ-17-63
Э-Х5МФ-Ф
20
44
65
18
76
15
450
38,6
46,8
16,8
63,8
25,4
рушению. Для сварки высокопрочных сталей используют электроды аустенитного и ферритного классов. Электроды аустенитного класса применяют для сварки сталей в закаленном состоянии без подогрева и последующей термообработки. Эти электроды позволяют свести к минимуму опасность образования трещин при сварке. Электроды ферритного класса служат для сварки высокопрочных сталей с подогревом (табл. 7-28) и в сочетании с последующей термообработкой обеспечивают высокую конструктивную прочность сварных изделий (см. гл. 10).
Практически все современные электродные покрытия для сварки высокопрочных сталей относятся к фтористо-кальциевому типу, что диктуется весьма высокими требованиями к чистоте металла шва по содержанию водорода и неметаллических включений. Покрытие наносят на стержни, изготовленные из легированной или высоколегированной стали. Химический состав стержней определяется требованиями к составу и структуре металла шва.
Учитывая особо опасное влияние водорода на склонность металла шва и околошовной зоны к образованию холодных трещин и хрупкому разрушению, электроды для сварки высокопрочных сталей перед использованием необходимо подвергать прокалке при температуре около 400° С в течение 1—2 ч.
Электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами. Высоколегированные стали широко применяют в производстве современного оборудования для химического и энергетического машиностроения и других отраслей техники. Разнообразие свойств высоколегированных сталей определяет области их применения (табл. 7-29). Эти стали классифицируют в зависимости от основного применения на коррозионностойкие (нержавеющие), жароупорные (окалиностойкие) и жаропрочные (см. § 10-8).
Характеристики некоторых электродов, применяемых для сварки среднелегированных высокопрочных сталей
Марка электрода
Тип электрода по гост 9467—60
10052—62
Марка проволоки для стержней
Механические свойства металла шва при температуре 4-20°
Свариваемые стали
2 2
О* М
2
*2
ЭА-464/5А
ЭА-1М2
Св-10Х20Н15
>58
30
10
Среднелегированные высокопрочные стали
ЭА-395/9
ЭА-ЗМ6
Св-10Х16Н25М6
>62
30
12
То же
НИАТ-5
—
Св-10Х16Н25М6
5=60
30
>10
ЗОХГСА, ЗОХГСНА и др.
ЦЛ-18-63
Э85-Ф
Св-18ХГСА
92
13
8,5
20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА
ВИ-10-6
Э100-Ф
Св-18ХМА
5=100
>10
>5
Низколегированные конструкционные стали
В связи с большой склонностью металла швов и сварных соединений к образованию кристаллизационных и холодных трещин электроды для сварки высоколегированных сталей имеют фто- ристо-кальциевое покрытие. Они обеспечивают легирование наплавленного металла хромом или хромом с никелем. С целью раскисления сварочной ванны, а также для снижения окисления хрома в покрытие вводят активные раскислители — ферросилиций, ферротитан или алюминий. Кроме того, для дополнительного легирования металла шва в состав покрытия вводят различные ферросплавы или металлические порошки, например хром, марганец, алюминий, молибден. Чтобы воспрепятствовать окислению примесей из электродного стержня, в состав покрытия вводят небольшое количество легкоокисляющихся примесей, например алюминия или титана.
Сварку электродами этой группы ведут постоянным током обратной полярности. Использование постоянного тока определяется наличием в составе покрытия большого количества фтористого кальция, препятствующего стабильному горению дуги на переменном токе. В состав покрытия иногда вводят небольшое количество двуокиси титана, которая способствует измельчению капель электродного металла. Это особенно важно для электродов, предназначенных для сварки в вертикальном и потолочном положениях.
Тип электрода
Марки электродов- представителей
Рекомендуемая марка электродного стержня по ГОСТ 2246—70
Тип металла шва
Примерное назначение электрода
ЭА-1
ОЗЛ-14
Св-02Х19Н9
1Х20Н9
Для сварки сталей 0Х18Н10, Х18Н9, Х18Н9Т и им подобных, работающих при температурах до 350° С
ЭА-1а
ОЗЛ-8
Св-04Х19Н9
09Х19Н10Б
Для сварки сталей 0Х18Н10, Х18Н9, Х18Н9Т и им подобных, работающих при температурах от —253° до 800° С при отсутствии жидкой агрессивной среды
ЭА-1 Б
ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ЦТ-15-1
Св-08Х19Н10Б
1Х21Н9Б
Для сварки коррозионностойких сталей Х18Н9Т, 0Х18Н12Т, Х14Г14НЗТ, 1Х21Н5Т и им подобных с содержанием до 16% Ni, работающих в агрессивных средах при температурах до 450°С
ЭА-1 Ба
3ИО-3, ЦТ-15
Св-08Х19Н10Б
1Х19Н10Б
Для сварки жаропрочных и коррозионностойких сталей типа 18-8 и им подобных с содержанием до 16% Ni, работающих в агрессивных средах при температурах до 800°С
.ЭА-1В2Б
ЦТ-16-1
Св-08Х19Н10Б
09Х19Н9В2Б
Для сварки жаропрочных сталей 1Х16Н14В2БР и им подобных с содержанием до 16% Ni для работы при температурах до 700°С
22 Заказ № 782
Таблица 7-29
Назначение некоторых электродов для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами (по ГОСТ 10052—62)
Тип электрода
Марки электродов- представителей
Рекомендуемая марка электродного стержня по ГОСТ 2246—70
Тип металла шва
Примерное назначение электрода
ЭА-1Г6
ЗИФ-1
Св-08Х20Н10Г6
Х19Н10Г6
Для сварки конструкционных низколегированных специальных сталей, а также для сварки этих сталей с аустенитными. Для сварки сталей типа 18-8, работающих при температурах до —253° С
ЭА-2Б
ЗИО-7
Св-07Х25Н13
1Х23Н13Б
Для сварки двухслойного металла со стороны высоколегированного слоя из сталей Х18Н9Т, 0X13
ЭА-ЗМ6
ЭА-395/9, НИАТ-5
Св-10Х16Н25М6
1Х16Н26М6
Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей с аустенитными, работающими при повышенных температурах, а также для сварки жаропрочных сталей ряда марок, содержащих до 25—35% N1, для работы при температурах до 700° С
ЭАФ-1
ЦЛ-33
Св-04Х19Н9
1Х22Н8
Для сварки аустенитно-ферритных сталей, а также сталей типа 1Х18НЗГЗД2 и им подобных, работающих в условиях эрозионного и кавитационного износа при температуре до 80° С
ЭФ-ХИВМНФ
КТИ-10-62
Св-ЮХНМФН
1Х10НМВ
Для сварки жаропрочной стали 1Х12ВНМФ и ей подобных, предназначенных для работы при температуре до 580° С
§ 7-4. Сварочные флюсы
Флюсы применяют при многих способах сварки и наплавки плавлением при электродуговой сварке под флюсом, сварке по флюсу, сварке с магнитным флюсом и при электрошла- ковой сварке. В процессе сварки флюс защищает зону сварки от доступа воздуха и выполняет ряд других важных функций. Флюсы можно классифицировать по следующим основным признакам: назначению, способу изготовления, химическому составу, строению и размеру частиц.
Современные флюсы в зависимости от их назначения и преимущественного применения разделяются на флюсы, предназначенные для дуговой и электрошлаковой сварки и для наплавки; флюсы, предназначенные для механизированной сварки и наплавки углеродистых сталей, легированных сталей и цветных металлов и сплавов. Такое разделение в известной степени условное, поскольку флюсы, преимущественно применяемые для сварки и наплавки одной группы металлов или сплавов, могут быть с успехом использованы для сварки и наплавки металлов другой группы. Вместе с тем флюсы, предназначенные для сварки одних цветных металлов или легированных сталей одних марок, могут оказаться непригодными для сварки других цветных металлов или легированных сталей других марок.
Различают флюсы общего назначения и специальные. Флюсы общего назначения предназначены для механизированной дуговой сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой. Флюсы специальные предназначены для отдельных способов и целей сварки: электрошлаковой сварки, сварки легированных сталей и т. п.
По способу изготовления флюсы разделяют на плавленые и неплавленые. Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов шихты в электрических или пламенных печах. Неплавленые флюсы изготовляют скреплением частиц флюсовой шихты без их сплавления. К числу неплавленых флюсов относятся керамические флюсы, спеченные флюсы, флюсы-смеси.
Керамические флюсы изготовляют из смесей порошкообразных материалов, скрепляемых при помощи клеющих веществ, главным образом жидким стеклом. Спеченные флюсы изготовляют спеканием компонентов шихты при повышенных температурах без их сплавления. Полученные комки затем измельчают до частиц требуемого размера. Флюсы-смеси изготовляют механическим смешением крупинок различных материалов или флюсов. Большим недостатком механических смесей является склонность к разделению при транспортировке и в процессе сварки вследствие разницы в плотности, форме и размере крупинок. Поэтому механические смеси не имеют постоянных составов и технологических свойств и недостаточно надежно обеспечивают стабильное качество сварных швов.
По химическому составу сварочные флюсы могут быть разделены на три группы: оксидные, солевые и солеоксидные. Оксидные флюсы состоят из окислов металлов и могут содержать до 10% фтористых соединений. Их преимущественно применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Флюсы солевого типа состоят из фтористых и хлористых солей металлов, а также из других не содержащих кислород химических соединений. Их используют для сварки активных металлов, таких как алюминий, титан и др., а также для электрошлакового переплава. Флюсы солеоксидного типа состоят из фторидов и окислов металлов. Их преимущественно применяют при сварке и наплавке высоколегированных сталей.
По химическому составу шлакообразующей части оксидные флюсы могут быть разделены на кислые, нейтральные и основные. Это определяется содержанием в их составе кислых и основных окислов. К кислым (кислотообразующим) окислам относят SiO2 и ТЮ2, к основным —СаО, MgO, МпО, FeO. Окись алюминия А12О3 и окись железа Fe2O3 имеют амфотерный характер. Если в составе флюса много кислого окисла SiO2, А12О3 ведет себя как основной окисел, если же флюс содержит много основных окислов, А12О3 ведет себя как кислый окисел. Фториды и хлориды относятся к химически нейтральным соединениям.
Плавленые флюсы в зависимости от содержания в них SiO2 разделяют на высококремнистые, низкокремнистые и бескремни- стые. К высококремнистым относятся флюсы, содержащие свыше 37—40% SiO2 При меньшем содержании SiO2 флюсы относятся к низкокремнистым. В бескремнистых флюсах SiO2 содержится только в качестве примеси (не более 4%). Флюсы, предназначенные для сварки низкоуглеродистой и низколегированной стали низкоуглеродистой проволокой, как правило, высококремнистые. Низкокремнистые флюсы обычно применяют для сварки легированных сталей.
По содержанию МпО плавленые флюсы разделяют на безмар- ганцевые и марганцевые. К первым относятся флюсы, содержащие не более 1 % МпО. При более высоком содержании МпО флюс относится к марганцевым.
По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекловидные, пемзовидные (рис. 7-29) и кристаллические. Стекловидный флюс представляет собой прозрачные зерна. Они бесцветные или же окрашены в зависимости от состава в различные цвета — от светло-синего до черного. Пемзовидный флюс представляет собой зерна пенистого материала белого или светлых оттенков желтого, зеленого и других цветов. Кристаллический флюс характеризуется кристаллическим строением зерен, окрашенных в те же цвета, что и пемзовидный флюс. Объемная масса пемзовидных флюсов 0,6—1 г/см3, стекловидных и кристаллических 1,4—1,8 г/см3, промежуточную объемную массу имеют флюсы полупемзовидного строения.
Рис. 7-29. Строение зерен флюсаРис. 7-29. Строение зерен флюсаб — пемзовидногоб — пемзовидногоа — стекловидного,а — стекловидного,
Рис. 7-29. Строение зерен флюса
Рис. 7-29. Строение зерен флюса
б — пемзовидного
б — пемзовидного
а — стекловидного,
а — стекловидного,
Согласно рекомендации СЭВ по стандартизации сварочных плавленых флюсов РС2205—69, флюс подразделен по величине зерен (табл. 7-30).
Определяющими при выборе флюса являются состав основного металла и принятый способ сварки.
Флюсы для дуговой сварки углеродистых конструкционных сталей. Для сварки углеродистых сталей следует применять флюсы, удовлетворяющие основным требованиям- обеспечение устойчивости процесса сварки; отсутствие кристаллизационных трещин и пор в шве; обеспечение требуемых механических свойств металла шва и сварного соединения в целом; хорошее формирование шва; легкая отделимость шлаковой корки; минимальное выделение вредных газов при сварке; низкая стоимость флюса
и возможность промышленного изготовления.
Устойчивость процесса дуговой сварки в первую очередь зависит от устойчивости (стабильности) горения дуги. Под последней обычно понимают постоянство во времени основных элект
рических характеристик дуги, а именно: постоянство значений напряжения дуги и силы тока.Сварочная дуга является одним из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплотой дуги флюс выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в составе флюса соединений щелочных и щелочноземельных металловрических характеристик дуги, а именно: постоянство значений напряжения дуги и силы тока.Сварочная дуга является одним из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплотой дуги флюс выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в составе флюса соединений щелочных и щелочноземельных металловФлюсОбозначение зернистостиВеличина зерна, ммТонкозернистый/Пыль — 0,8Мелкозернистыйк0,1—1,6Среднезернистыйт0,25—3,0Крупнозернистыйg0,35—5,0ФлюсОбозначение зернистостиВеличина зерна, ммТонкозернистый/Пыль — 0,8Мелкозернистыйк0,1—1,6Среднезернистыйт0,25—3,0Крупнозернистыйg0,35—5,0Таблица 7-30Зернистость флюсов согласно рекомендации СЭВТаблица 7-30Зернистость флюсов согласно рекомендации СЭВ
рических характеристик дуги, а именно: постоянство значений напряжения дуги и силы тока.
Сварочная дуга является одним из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплотой дуги флюс выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в составе флюса соединений щелочных и щелочноземельных металлов
рических характеристик дуги, а именно: постоянство значений напряжения дуги и силы тока.
Сварочная дуга является одним из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплотой дуги флюс выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в составе флюса соединений щелочных и щелочноземельных металлов
Флюс
Обозначение зернистости
Величина зерна, мм
Тонкозернистый
/
Пыль — 0,8
Мелкозернистый
к
0,1—1,6
Среднезернистый
т
0,25—3,0
Крупнозернистый
g
0,35—5,0
Флюс
Обозначение зернистости
Величина зерна, мм
Тонкозернистый
/
Пыль — 0,8
Мелкозернистый
к
0,1—1,6
Среднезернистый
т
0,25—3,0
Крупнозернистый
g
0,35—5,0
Таблица 7-30
Зернистость флюсов согласно рекомендации СЭВ
Таблица 7-30
Зернистость флюсов согласно рекомендации СЭВ
повышает устойчивость Процесса сварки, тогДа как фторисТЫё соединения уменьшают ее.
Стойкость швов против образования кристаллизационных трещин зависит от химического состава металла шва. Изменяя содержание в металле шва углерода, серы и марганца, флюс оказывает влияние на стойкость швов против кристаллизационных трещин.
При сварке флюс расплавляется, превращаясь в шлак, и взаимодействует с жидким металлом. Длительность их взаимодействия очень невелика и в зависимости от режима сварки может составлять от 10—15 с до 1 мин. Затем, когда металл и шлак затвердеют, их взаимодействие прекращается. Несмотря на кратковременность, взаимодействие жидких металла и шлака происходит довольно энергично. Это обусловлено высокими температурами, до которых нагреваются металл и шлак, большими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количеством шлака, составляющим в среднем 30—40% массы
металла.
Реакции, протекающие между жидкими металлом и шлаком в процессе их взаимодействия, являются реакциями вытеснения
одного элемента из шлака в металл другим или же реакциями
распределения элемента между металлом и шлаком.
Так, при сварке углеродистой стали под плавленым высококремнистым марганцевым флюсом (например, АН-348-А) марганец и кремний частично вытесняются железом из шлака и переходят в металл сварочной ванны [см. реакции (7-2) и (7-3))]. Стрелки указывают, что реакции могут идти в обоих направлениях: слева направо в зоне высоких температур вблизи дуги (восстановление марганца и кремния) и справа налево в затвердевающей части сварочной ванны (окисление марганца и кремния). Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ. При большом содержании марганца или кремния в металле сварочной ванны, отсутствии МпО и SiO2 или большом
содержании FeO в шлаке окисление марганца и кремния может происходить и в зоне высоких температур сварочной ванны.
Величина перехода кремния пропорциональна содержанию SiO2 во флюсе (рис. 7-30). При одинаковом содержании SiO2 величины перехода кремния могут быть разными: чем больше FeO и СаО во флюсе, тем переход меньше. В том же направлении дей
ствует повышение содержания кремния в сварочной проволоке
и основном металле. Переход кремния из флюса в металл сварочной ванны предупреждает возникновение пористости швов от выделения СО на кипящей и полу
Рис. 7-30. Переход кремния из флюса в металл шва в зависимости от содержания во флюсе SiO2
Рис. 7-31. Переход серы из высококремнистого марганцевого флюса в металл шва в зависимости от содержания во флюсе МпО
спокойной углеродистой стали и уменьшает опасность появления пористости швов на успокоенной углеродистой стали.
Переход марганца из флюса в металл сварочной ванны тем выше, чем больше содержание
окислов марганца во флюсе. Увеличение содержания марганца в металле за счет прохождения реакции (2—9) повышает стойкость
сварных швов на углеродистой стали против образования кристаллизационных трещин. При сварке под высококремнистым без- марганцевым флюсом происходит окисление содержащегося в металле марганца вследствие прохождения реакции (7-1). Для обеспечения необходимого содержания марганца в металле шва при сварке под этими флюсами применяют низкоуглеродистую марганцовистую проволоку, содержащую 1,5—3,0% Мп.
шлаком и металлом:шлаком и металлом:От состава шлака зависит реакция распределения серы между
шлаком и металлом:
шлаком и металлом:
Q - > ^ ишл ч— ^мет
Сера оказывает резко отрицательное влияние на стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин, поэтому следует снижать ее содержание в металле шва. При флюсах с высоким содержанием SiO2, TiO2 и А12О3— так называемых кислых окислов сера переходит из флюса в металл. Чем больше окислов марганца в высококремнистом марганцевом флюсе и меньше FeO, тем меньше переход серы в металл. На рис. 7-31 показано влияние содержания МпО в плавленом высококремнистом марганцевом флюсе на величину перехода серы в металл шва. При содержании 25% МпО и более сера почти не переходит из флюса в металл шва. Данные на рис. 7-31 относятся к флюсам, содержащим около 0,1% Зи 40—45% SiO2.
Повышение содержания марганца в металле сварочной ванны и введение в нее алюминия и титана препятствует переходу серы из шлака в металл. При сварке под основными флюсами сера переходит из металла в шлак.
Реакция окисления углерода проходит в металле сварочной ванны без участия флюса. Однако интенсивность прохождения ее зависит от состава флюса — основного источника поступления кислорода в металл. Углерод окисляется более интенсивно при сварке под флюсами, содержащими значительные количества FeO, МпО и 31О2. Окисление углерода ведет к уменьшению его концентрации в металле шва, что повышает стойкость шва против образования кристаллизационных трещин.
Другой опасный дефект швов, сваренных под флюсом, — пористость. При сварке под флюсом основными причинами возникновения пор в швах могут быть загрязнение основного металла и сварочной проволоки ржавчиной, маслом и т. п., влажный флюс и др. Роль флюса в предупреждении появления пор заключается в защите металла сварочной ванны от доступа воздуха; выделении в атмосферу дуги газов и паров, снижающих концентрацию в ней водорода путем разбавления; выделении в атмосферу дуги газообразных соединений фтора, образующего с водородом нерастворимый в жидкой стали фтористый водород; окислении металла сварочной ванны.
Для уменьшения пористости швов в состав флюса вводят фтористый кальций или фтористый натрий, флюс тщательно прокаливают перед сваркой и т. д. Так как наиболее эффективно связывает водород в виде HF газообразный фтористый кремний, то чем больше в составе флюса CaF2 и SiO2 и меньше СаО, Na2O и К2О, тем больше в атмосфере дуги находится водорода в виде Н F.
Для получения плотных швов на кипящей и полуспокойной стали важное значение имеет кремниевосстановительный процесс и поступление кремния в металл сварочной ванны из других источников.
Требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом обеспечиваются путем получения швов нужного химического состава и без дефектов. Для механических свойств металла шва существенное значение имеет реакция восстановления фосфора
Р2О5(шл) + 5FeMeT^ 5РеОшл -ф 2Рмет. (7-8)
При сварке под флюсами, содержащими значительные количества кислых окислов, эта реакция во всех частях сварочной ванны идет в правую сторону, т. е. фосфор восстанавливается из флюса в металл. Так как фосфор является вредной примесью, для уменьшения прохождения этой реакции необходимо максимально снижать содержание фосфора во флюсе. Окисление фосфора и переход его из металла в шлак может иметь место только при сварке под основными окислительными флюсами и то лишь в небольшой степени.
Реакции взаимодействия шлака и металла зависят от соотношения между количествами реагирующих флюса и металла. Чем больше соотношение между флюсом и металлом, тем сильнее взаимодействие. Изменяя режим сварки, можно изменять соотношение между расплавляемыми флюсом и металлом, влияя этим на интенсивность их взаимодействия.
В шихту для изготовления высококремнистых марганцевых флюсов обязательно входит марганцевая руда, которая вместе с тем является главным источником загрязнения флюса фосфором. В связи с этим во флюсах данного типа содержание фосфора может быть чрезмерно высоким (до 0,2%). При сварке углеродистой
На рис. 7-32 показан график влияния содержания фосфора во флюсе на величину перехода фосфора из плавленого высококремнистого марганцевого флюса в металл шва. Различие величин перехода фосфора при одном и том же содержании его во флюсе обусловлено влиянием исходного содержания фосфора в сварочной проволоке и основном металле и влиянием степени окислен- ности флюса и его состава. Чем больше содержится фосфора в сварочной проволоке и основном металле, тем меньше его перейдет из флюса в металл шва, потому что будет задерживаться прохождение реакции (7-8). В том же направлении действует повышение степени окисленности флюса и увеличение содержания в нем FeO.
Формирование шва прежде всего зависит от режима сварки, т. е. от длины дуги, ее подвижности и т. п. В одинаковых условиях длина дуги и ее подвижность зависят от размеров зерен флюса. При сварке под крупным флюсом дуга более подвижна и ширина шва больше, чем при сварке под мелким флюсом. Соответственно этому глубина провара больше при сварке под мелким флюсом, чем под крупным.
Внешний вид шва в значительной мере зависит от равномерности отложения металла, зависящей от состояния сварочной ванны. «Кипение» сварочной ванны вследствие выгорания углерода и выделения растворенных в металле газов может значительно ухудшить внешний вид шва. Повышение окисленности флюса, способствующее интенсивному окислению углерода, также ухудшает внешний вид шва. Введение в сварочную ванну вместе с флюсом раскислителей успокаивает ее и способствует образованию швов с более мелкими чешуйками на поверхности.
Если при температуре затвердевания металла вязкость флюса очень высокая, то шов имеет форму затвердевшей шлаковой корки. Чрезмерно жидкоплавкий флюс также ухудшает формирование швов. В данном случае образуется много шлака, затрудняющего процесс сварки. Хорошее качество формирования швов обеспечивается при средних величинах вязкости флюса.
Хорошо сформированные кольцевые швы при сварке изделия малого диаметра образуются в том случае, если отсутствует стекание расплавленного шлака. Жидкий шлак, стекая в процессе
345
Рис. 7-33. Изменение вязкости флюса в зависимо» сти от температуры:
— короткий флюс, 2 — длинный флюс
сварки, тянет за собой жидкий металл и в результате образуются плохо сформированные бугристые швы с натеками металла, подрезами и т. п. Характер формирования швов зависит от свойств применяемого флюса. На рис. 7-33 показано изменение вязкости в зависимости от тем
пературы для двух жидких флюсов. Для «короткого» флюса нисходящая ветвь кривой вязкости круто падает вниз, что указывает на быстрое уменьшение вязкости флюса с повышением температуры. Для «длинного» флюса изменение вязкости
происходит значительно медленнее.
Для сварки кольцевых швов малого диаметра, а также для наплавки небольших деталей цилиндрической формы значительно больше подходят «короткие» флюсы, потому что при них шлак твердеет быстро и надежно удерживает сварочную ванну от растекания. В связи с этим для сварки кольцевых швов, особенно коль
цевых швов малого диаметра, желательно применять специальные флюсы, например ФЦ-1.
Плавленые флюсы для сварки углеродистых сталей. Получения качественных швов на углеродистых и низколегированных конструкционных сталях в настоящее время практически достигают применением следующих сочетаний флюсов и сварочных проволок: 1) плавленый высококремнистый марганцевый флюс и обычная низкоуглеродистая сварочная проволока; 2) плавленый высококремнистый безмарганцевый флюс и низкоуглеродистая марганцовистая сварочная проволока; 3) керамический флюс и обычная низкоуглеродистая сварочная проволока.
Общим для первых двух сочетаний является применение высококремнистых флюсов и проволоки из кипящей или полуспокой- ной стали. Успокоить металл сварочной ванны и предупредить появление пористости при сварке кипящей стали можно путем введения некоторого количества кремния из флюса. Легируют металл шва марганцем с целью повышения стойкости против образования кристаллизационных трещин или через флюс (первое сочетание), или через проволоку (второе сочетание).
Сравнение этих сочетаний флюса и проволоки показывает, что сварочные свойства высококремнистых марганцевых флюсов несколько лучше, чем высококремнистых безмарганцевых. Положительным свойством высококремнистых марганцевых флюсов является высокая стойкость сварных швов против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено малым переходом серы из флюсов данного типа в металл шва и сравнительно сильным выгоранием углерода из металла сварочной ванны. Кроме
того, положительно влияет более низкое по сравнению с содержанием в марганцовистой проволоке содержание углерода в низкоуглеродистой сварочной проволоке, используемой в сочетании с высококремнистыми марганцевыми флюсами.
При сварке под высококремнистыми марганцевыми флюсами пористость сварных швов меньше, чем при сварке под высококремнистыми безмарганцевыми флюсами.
Преимуществом высококремнистых безмарганцевых флюсов является лучшая отделимость шлака с поверхности шва в связи с меньшим окислительным действием флюса на затвердевающий металл шва, вследствие чего образование окисной пленки на поверхности шва происходит медленнее и затрудняется сцепление шлака с этой поверхностью. В швах, сваренных под высококремнистыми безмарганцевыми флюсами, содержится меньше фосфора, потому что в шихте для их выплавки нет марганцевой РУДЫ.
По выделению вредных газов оба рассматриваемых сочетания равноценны. Первое сочетание хуже в отношении выделения в атмосферу соединений марганца.
На начальном этапе развития автоматической сварки в СССР использовали -почти исключительно первое сочетание флюса и проволоки. Кроме технологических преимуществ первого сочетания это было вызвано также некоторыми трудностями изготовления сварочной проволоки с высоким содержанием марганца и низким — углерода, в то время как обычная низкоуглеродистая сварочная проволока не была дефицитной. Кроме того, выплавка высококремнистого марганцевого флюса не представляла затруднений в связи с наличием в нашей стране больших залежей высококачественной марганцевой руды.
К высококремнистым марганцевым флюсам относятся АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-60, ФЦ-9 и др., предназначенные для механизированной сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей низкоуглеродистой и низколегированной сварочной проволокой. Из них наиболее широко применяются флюсы АН-348-А, АН-60 и ОСЦ-45. С согласия потребителей допускается поставка флюса марки АН-348-АМ с содержанием фтористого кальция до 5,5% для автоматической сварки проволокой диаметром не более 3 мм. Это связано как с тенденцией значительного расширения применения при автоматической сварке под флюсом тонкой сварочной проволоки, так и тем, что при автоматической сварке опасность выделения вредных фтористых газов меньше, чем при полуавтоматической.
Как видно из табл. 7-31, флюсы АН-348-А и АН-348-АМ отличаются от флюсов ОСЦ-45 и ОСЦ-45М содержанием CaF2. Большое содержание CaF2 в высококремнистом марганцевом флюсе повышает стойкость металла шва против образования пор (рис. 7-34). Чем выше содержание CaF2, тем больше ржавчины может находиться в зоне сварки без опасности появления
347
Марка флюса
S1O2
МпО
СаО
MgO
А1г03
NagO и К2О
CaF2
Fe2O3
s
p
с
не 6oj
ее
АН-348 А
41,0—44,0
34,0—38,0
<6,5
5,0—7,5
<4,5
—
4,0—5,5
2,0
0,15
0,12
—
ОСЦ-45
38,0—44,0
38,0—44,0
<6,5
<2,5
<5,0
—
6,0—9,0
2,0
0,15
0,15
—-
АН-348-АМ
41,0—44,0
34,0—38,0
<6,5
5,0—7,5
<4,5
—
3,5—4,5
2,0
0,15
0,12
ОСЦ-45М
38,0—44,0
38,0—44,0
<6,5
<2,5
<5,0
_
6,0—9,0
2,0
0,15
0,10
—
£АН-60
00
42,5—46,5
36,0—41,0
3,0—11,0
0,5—3,0
<5,0
—
5,0—8,0
1,5
0,15
0,15
—
ФЦ-9
38,0—41,0
38,0—41,0
<6,5
<2,5
10,0—13,0
—
2,0—3,0
2,0
0,10
0,10
—
АН-8
АН-20С,
33,0—36,0
21,0—26,0
4,0—7,0
5,0—7,5
11,0—15,0
—
13,0—19,0
1,5—3,5
0,15
0,15
—
АН-20СМ, АН-20П
19,0—24,0
<0,5
3,0—9,0
9,0—13,0
27,0—32,0
2,0—3,0
25,0—33,0
1,0
0,08
0,05
—
АН-22
АН-26С,
18,0—21,5
7,0—9,0
12,0—15,0
11,5—15,0
19,0—23,0
1,0—2,0
20,0—24,0
1,0
0,05
0,05
—
АН-26СП, АН-26П
29,0—33,0
2,5—4,0
4,0—8,0
15,0—18,0
19,0—23,0
—
20,0—24,0
1,5
0,10
0,10
0,05
Примечание Индексы в ианмеиованни марки флюса имеют следующие значения: С — стекловидный, П — пемзовидный; М — мелкий
Рис. 7-34. Влияние содержания СаР2 в высококремнистом марганцевом флюсе на стойкость швов против образования пор
пористости швов. Более высокое содержание СаР2 во флюсах ОСЦ-45 и ОСЦ-45М, в сравнении с флюсами АН-348-А и АН-348-АМ, вызывает более интенсивное выделение в атмосферу0
дуги фтористых соединений, пре- У 7 2 J - са?г, ]0 дупреждающих образование пор от водорода. Вместе стемухудша ются устойчивость горения дуги и гигиенические условия труда.
За длительное время практического применения флюсов упо
мянутых марок определилась номенклатура производств и изделий, где при сварке преимущественно применяют ту или иную марку флюса. В машиностроении, вагоностроении и ряде других отраслей промышленности в основном применяют флюсы АН-348-А и АН-348-АМ, в судостроении же обычно используют флюсы ОСЦ-45 и ОСЦ-45М.
Согласно ГОСТ 9087—69 «Флюсы сварочные плавленые», приведенные в табл. 7-31, флюсы следует поставлять в виде однородных по строению зерен без включений инородных частиц, в том числе нерастворившихся частиц сырьевых материалов, угля, кокса, стружки и т. п. Как исключение допускается содержание частиц инородных материалов в навеске 10 г не более 10 шт. Допускается также наличие во флюсах АН-348-А и АН-348-АМ не более 10% белых и желтых непрозрачных зерен, во флюсах ОСЦ-45 и ОСЦ-45М не более 5% зерен черного цвета. Строение и цвет зерен флюсов, согласно ГОСТ 9087—69, должны соответствовать указанным в табл. 7-32. При этом все промежуточные
оттенки также допустимы.
Размеры зерен флюса должны соответствовать указанным в табл. 7-33. Стекловидный флюс с размером зерен не более 2,5 или 3 мм и пемзовидный флюс с размером зерен не более 4 мм предназначены для автоматической сварки проволокой диаметром не менее 3 мм. Стекловидный флюс с размером зерен не более 1,6 мм предназначен для автоматической и полуавтоматической сварки проволокой диаметром не более 3 мм.
Флюсы поставляют партиями, состоящими из флюса одной марки. Масса партии не должна превышать 60 т. Флюс упаковывают в бумажные мешки или другую тару, обеспечивающую его сохранность при транспортировке. Для перевозки малыми партиями в сборных вагонах или автотранспортом флюс должен быть упакован в деревянную или металлическую тару. По соглашению с потребителем допускается отгрузка флюса в крытых вагонах насыпью. Влажность отправляемого потребителям флюса не должна превышать 0,10% (для флюса АН-60 не более 0,05%).
Марка флюса
Строение зерен
Цвет зерен
АН-348-А, АН-348-АМ
ОСЦ-45, ОСЦ-45М
ФЦ-9
Стекловидное
Желтый и коричневый всех оттенков Светло-серый, желтый и коричневый всех оттенков
Светло-желтый всех оттенков и коричневый всех оттенков
АН-60
АН-20П
АН-26П
Пемзовидное
Белый, желтый всех оттенков и светло-коричневый
Белый и светло-серый
Светло-серый
АН-8
АН-20С, АН-20СМ
АН-22
АН-26С
Стекловидное
Желтый и коричневый всех оттенков Светло-серый и светло-голубой Желтый всех оттенков и светлокоричневый
Серый всех оттенков и светло-зеленый
АН-26СП
Смесь стекловидных и пемзовидных зерен
Серый всех оттенков и светло-зеленый
Объемная масса сварочных плавленых флюсов согласно ГОСТ 9087—69 должна соответствовать указанной в табл. 7-34. Малая объемная масса пемзовидного флюса обеспечивает высокую подвижность сварочной дуги, потому что на его плавление затрачивается меньше тепловой энергии дуги, чем на плавление такого же объема стекловидного флюса. Вследствие высокой подвижности дуги при сварке под пемзовидным флюсом при том же режиме формируются более широкие швы с меньшей высотой утолщения, чем при сварке под стекловидным флюсом. При такой форме шва
Таблица 7-33
Размер зерен сварочных плавленых флюсов
Марка флюса
Размеры зерен, мм
Марка флюса
Размеры зерен, мм
АН-348-А, ОСЦ-45, АН-20С, АН-26П АН-348-АМ, ОСЦ-45М,
ФЦ-9, АН-20СМ
0,35—3,00
0,25—1,60
АН-8, АН-22, АН-26С АН-60, АН-20П
АН-26СП
0,25—2,50
0,35—4,00
0,25—4,00
Марка флюса
Объемная масса, кг/дм3
Марка флюса
Объемная масса, кг/дм3
АН-8, АН-22 АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-26С, ФЦ-9
1,5—1,8
1,3—1,8
АН-20С, АН-20СМ АН-60, АН-20П, АН-26П АН-26СП
1,2—1,7 0,7—1,0
0,9—1,3
меньше опасность несплавления шва с основным металлом, что особенно важно при сварке на большой скорости.
Пористость сварных швов тем меньше, чем больше фтористого кремния находится в атмосфере дуги. Фтористый кремний образуется при сварке вследствие взаимодействия кремнезема с фтористым кальцием. Фтористый кремний — это газ со специфическим резким запахом. Он образуется на поверхности частиц флюса, содержащих в своем составе кремнезем и фтористый кальций и нагретых до температуры выше 600° С. Количество выделенного фтористого кремния тем больше, чем выше температура нагрева частиц флюса, больше их поверхности и выше содержание SiO2 и CaF2.
Так как пемзовидный флюс имеет значительно большую по
верхность зерен, чем стекловидный, то при одинаковом химиче
ском составе во время сварки под пемзовидным флюсом выделяется значительно больше фтористого кремния, чем под стекловидным. Соответственно этому пористость швов, сваренных под пемзовидным флюсом, меньше чем швов, сваренных под стекловидным флюсом. Испытание на стойкость швов против образования пор от ржавчины проводили при скорости сварки 30 м/ч. На рис. 7-35 видно, что флюс АН-60, объемная масса которого составляет 0,8—1,0 г/см3, допускает без опасности образования пор в 2— 2,5 раза больше ржавчины, чем стекловидный флюс такого же химического состава с объемной массой 1,6 г/см3.
Из флюсов пемзовидного строения наиболее широко применяют АН-60 и в основном при изготовлении стальных труб боль
шого диаметра для газопроводов. Он предназначен для сварки с большой скоростью. Его высокие технологические свойства (хорошее формирование шва и большая стойкость шва против образования пор) обусловлены пемзовидным строением зерен. При-
Рис. 7-35. Зависимость пористости швов от ржавчины и объемной массы плавленого флюса
дание флюсу стекловидного или пемзовидного строения достигается соответствующим способом ведения плавки и грануляции флюса.
Для полуавтоматической сварки углеродистых и низколегированных сталей используют флюс ФЦ-9, разработанный в ЦНИИТМАШе. Флюс обладает хорошими технологическими свойствами и выделяет мало фтористых газов, что связано с низким содержанием в его составе CaF2. Эта особенность очень важна при полуавтоматической сварке, когда сварщик находится ближе к дуге, чем при автоматической. Поэтому к флюсам, предназначенным для полуавтоматической сварки, предъявляют более жесткие требования в отношении выделения вредных газов, чем к флюсам для автоматической сварки.
Наиболее простой и надежный способ значительного уменьшения выделения вредных газов при сварке под флюсом — это применение флюсов, вовсе не содержащих фтористых соединений. Однако ввиду отсутствия в составе флюса фтористых соединений стойкость сварных швов против образования пор очень низкая. Такие флюсы имеют хорошие стабилизирующие свойства и в процессе сварки мало выделяют вредных газов, однако они обеспечивают плотные швы только на чистом металле. В связи с низкой стойкостью против образования пор применение бесфтористых флюсов весьма ограниченное.
Высококремнистые безмарганцевые флюсы находили и находят применение в зарубежных странах. Они предназначены для сварки углеродистых и некоторых низколегированных сталей сварочной проволокой с повышенным содержанием марганца. В табл. 7-35 приведены составы высококремнистых безмарганце- вых флюсов, применявшихся в США (UM20, UM30) и ФРГ (Blau). Там же дан состав отечественного флюса АН-5, разработанного в Институте электросварки имени Е. О. Патона.
Для сварки стали большой толщины на мощных режимах разработаны флюсы ФЦ-4 и ФЦ-5 (табл. 7-35). Имея высокие стабилизирующие свойства, эти флюсы обеспечивают длинную дугу, необходимую при однопроходной сварке металла большой толщины. Тенденция применения флюсов с высокими стабилизирующими свойствами в зарубежных капиталистических странах обусловлена стремлением работать на возможно более мощных режимах. Однако это целесообразно только в случае сварки толстого металла. При сварке же стали малой и средней толщины это сопряжено с необходимостью тщательной очистки поверхности свариваемого металла от ржавчины и загрязнений вследствие более низкой стойкости против образования пор флюсов с высокими стабилизирующими свойствами.
Для повышения производительности сварки под флюсом стыковых швов все шире применяется однопроходная сварка с обратным формированием валика на флюсовой или флюсомедной подушке. Чтобы избежать образования в таких швах шлаковых
352
Таблица 7-35
Состав зарубежных и отечественных плавленых флюсов, % по массе
Марка флюса
зю2
МпО
СаО
MgO
А12О3
Na2O н К2О
Т1О2
Сар£
Ре2О3
UM20, Blau
50-53
<0,6
30—31
9—10
4—6
2—4,5
0,5
UM30
54
—
28
8
5
—
5
0,5
АН-5
50—52
—
26—30
10—14
—
<1,0
—
5—6
<1,0
ФЦ 1 *
45
14,5
18
12,5
<2,0
—
—
6,0
<1,0
ФЦ4 6
45
33,0
5,0
<2,0
3,5
5,5
3,0
<2,0
ФЦ-5 t
44
45,0
<3,5
<1,0
3,5
1,5
—
3,0
<1,5
ФЦ-7
46—48
24—26
<3,0
16—18
—
0,6—0,8
—
5—6
<1,5
* Вместо допусков по химическому составу флюса приведен расчетный состав флюсовой шихты
каналов, необходимо, чтобы подкладочный флюс был достаточно тугоплавким.
Керамические флюсы для сварки углеродистых сталей. Приоритет разработки керамических флюсов принадлежит Советскому Союзу. Впервые керамические флюсы для дуговой сварки предложил К. К- Хренов.
Каждое зерно керамического флюса состоит из прочно соединенных мелких частичек и содержит все компоненты флюса в определенном соотношении. Зерна флюса имеют одинаковый химический состав, плотность и строение. Благодаря этому исключена возможность разделения составляющих частей керамического флюса при его использовании. Отсутствие операции плавления при изготовлении флюсов этого типа позволяет вводить в их состав минералы, руды, ферросплавы, металлы, углеродистые вещества и другие материалы независимо от их взаимной растворимости, что значительно эффективнее влияет на состав и структуру металла шва.
При сварке под плавлеными высококремнистыми марганцевыми флюсами металл шва легируется только кремнием и марганцем. С помощью керамических флюсов металл шва можно легировать и другими элементами, причем в большом количестве.
Для сварки углеродистых конструкционных сталей в Советском Союзе нашли достаточно широкое применение лишь керамические флюсы на основе марганцевой руды и песка. Состав шихты для изготовления флюсов этой группы подобен составу шихты таких плавленых флюсов, как ОСЦ-45, АН-348-А и др. В качестве примера рассмотрим флюсы К-И и КВС-19 (табл. 7-36).
Зерна флюсов К-П и КВС-19 черного цвета. Эти флюсы обладают хорошими технологическими свойствами. Они обеспечивают нормальное формирование швов, легкую отделимость шлаковой корки с поверхности шва и достаточно высокую стойкость швов против образования кристаллизационных трещин. Меха-
23 Заказ № 782 353
Материал
К п
КВС-19
Руда марганцевая
60
54
Песок кварцевый
20
30
Шпат плавиковый
10
7
Ферросилиций (ФС75)
10
7
Ферротитан
—
2
Натриевое жидкое стекло (в процен-
тах от массы сухой смеси) ..
15
15—17
нические свойства сварных швов и соединений, выполненных под флюсами К-И и КВС-19 на углеродистой стали, несколько уступают таковым, сваренным под плавлеными флюсами АН-348-А и ОСЦ-45, вследствие повышенного содержания в них фосфора. Вместе с тем флюсы К-И и КВС-19 значительно превосходят плавленые флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 по стойкости швов против образования пор. Им равноценен в этом отношении только плавленый пемзовидный флюс АН-60.
Плавленые флюсы с примесью ферросплавов. К плавленым флюсам ферросплавы можно примешивать механически в виде измельченных частиц, вводить в жидкий флюс в процессе его плавки или же примешивать к плавленому флюсу в составе керамического флюса. При автоматической сварке в Советском Союзе ранее широко применяли механические смеси шлакового флюса АШ с измельченным ферромарганцем (АШМА) и с плавиковым шпатом (АШПАТ). При сварке под этими смесями обеспечивалось получение плотных и хорошо сформированных швов на низколегированной стали. Недостатком таких смесей является разделение их составляющих по плотности, форме и величине зерен. Во время подачи, транспортировки и других операций более тяжелые частички ферросплава перемещаются вниз, что приводит к повышению содержания ферросплава в одних объемах флюса и снижению в других. Вследствие различия формы и величины зерен происходит отделение частиц плавикового шпата от флюса. Результатом возникающей неоднородности состава флюса является непостоянство химического состава и качества сварных швов. В связи с этим механические смеси плавленых флюсов с ферросплавами и минералами не применяют.
Ферросплавы могут быть введены во флюс в процессе его плавки. Чтобы уменьшить возможность оседания ферросплавов на дно печи, их вводят в измельченном виде перед выпуском флюса из печи при перемешивании расплава. Недостатком такого способа введения является неравномерность распределения ферросплавов в массе флюса вследствие различия плотности расплавленного флюса и ферросплавов.
Кроме того, при наличии в составе флюса таких окислов, как FeO, MnO, SiO2 и других флюс интенсивно реагирует с входящими в состав ферросплавов элементами. Поскольку для различных плавок флюса время от загрузки ферросплава до грануляции флюса может быть разным, окончательный состав находящегося во флюсе ферросплава может значительно отличаться. Этим вызвано непостоянство легирующего действия и технологических свойств такого флюса.
Из плавленых и керамических флюсов можно изготовлять флюсы-смеси. Входящие в состав керамического флюса ферросплавы вместе с ним равномерно распределяются между зернами плавленого флюса. Для уменьшения возможности разделения составляющих смеси необходимо, чтобы объемная масса и форма частиц смешиваемых плавленого и керамического флюсов были по возможности близкими. Лучшие результаты достигаются в том случае, если плавленый флюс имеет пемзовидное строение.
Использование шлаковых корок. При механизированных сварке и наплавке под флюсом в результате расплавления флюса образуется значительное количество шлаковых корок, которые обычно не используют. Вместе с тем в сущности составы и свойства шлака и флюса отличаются мало. Разница состоит в небольшом изменении химического состава флюса в процессе сварки и наличии в шлаке металлических капель различного размера.
В шлаке по сравнению с исходным флюсом обычно содержится несколько больше окислов железа и окиси кальция и несколько меньше CaF2. Поэтому шлак по сравнению с флюсом имеет несколько пониженную стойкость против образования кристаллизационных трещин и пор в металле шва и не может служить полноценной заменой флюса при сварке. Однако во многих случаях можно механически примешивать к флюсу некоторое количество измельченной шлаковой корки,'не ухудшая этим заметно качество металла шва или наплавки.
При определении количества измельченной шлаковой корки, которое можно примешивать к флюсу, следует учитывать, насколько высока в данных конкретных производственных условиях стойкость сварных швов против образования пор и кристаллизационных трещин. Необходимо также принимать во внимание и другие возможные стороны влияния такого примешивания на качество сварных соединений. Чем выше стойкость швов против образования пор и кристаллизационных трещин, тем большей может быть примесь к флюсу измельченной шлаковой корки. Необходимым условием использования шлаковых корок в качестве примеси к флюсу является предупреждение загрязнения их землей, смазкой и т. д., так как эти вещества ухудшают качество швов. Размер частиц измельченной шлаковой корки должен быть таким же, как и зерен флюса. На предприятиях, имеющих собственные флюсовые мастерские, использовать шлаковые корки можно, добавляя их к шихте для выплавки флюса
Флюсы для сварки и наплавки легированных сталей. Большинство требований, предъявляемых к флюсам для сварки углеродистых сталей, действительны и для флюсов, предназначенных для сварки легированных сталей. Дополнительное требование — минимальное окисление легирующих элементов, вводимых в шов из основного металла и сварочной проволоки. Имеют место также трудности в обеспечении хорошей отделимости шлака с поверхности швов, содержащих ванадий или ниобий, а также хром.
Отделимость шлаковой корки зависит от окисляющего действия жидкого флюса на поверхность затвердевшего шва. Длительность этого действия очень невелика и составляет для обычных режимов электродуговой сварки 20—30 с. Жидкий шлак, содержащий значительные количества FeO, MnO, SiO2 и ТЮ2, окисляет поверхность затвердевшего металла шва. Образующаяся весьма тонкая окисная пленка прочно удерживается на его поверхности. Если поверхность металла окислена, а в составе шлака находятся соединения, прочно сцепляющиеся с окисной пленкой на шве (А12О3, Сг2О3 и др.), следует ожидать прочного удерживания шлака на поверхности металла.
Введение в сварочную ванну небольших количеств сильных раскислителей значительно улучшает отделимость шлака. Прочность удерживания шлака возрастает при содержании в нем заметных количеств окислов ванадия, ниобия, хрома и алюминия, что приводит к образованию в ближайшем ко шву слое шлака соединений, имеющих такую кристаллическую решетку, которая достраивает решетку закиси железа. Для улучшения отделимости шлаковой корки с поверхности шва следует принимать меры, затрудняющие образование и рост окисной пленки.
Выполнение требований, предъявляемых к флюсу как в отношении минимального окисления примесей, так и легкой отделимости шлака, обеспечивается применением флюсов с низким содержанием окислов железа, марганца, кремния и титана, т. е. с пониженными окислительными свойствами. ”
Снижение содержания SiO2 во флюсе для автоматической и полуавтоматической дуговой сварки с целью уменьшения окисляющего действия ухудшает его формирующие свойства. При сварке под флюсом качество формирования швов остается удовлетворительным, если уменьшение содержания SiO2 во флюсе компенсируется соответствующим повышением содержания А12О3, способного подобно SiO2 придавать флюсу вязкость, делать его «длинным». Поэтому в составе флюсов для сварки легированных сталей обычно много окиси алюминия, причем ее концентрация тем выше, чем меньше содержание SiO2.
Плавленые флюсы для сварки и наплавки легированных сталей (см. табл. 7-31). Сведения о строении, цвете и размере зерен, а также объемной массе приведены в табл. 7-32—7-34. Флюсы АН-20С, АН-20СМ и АН-20П имеют одинаковый химический состав и отличаются лишь по размеру и строению зерен. Эти флюсы
356
предназначены для дуговой автоматической наплавки легированных сталей и сварки легированных сталей соответствующими сварочными проволоками.
Флюс АН-22 предназначен для электрошлаковой сварки и дуговой автоматической сварки и наплавки легированной сварочной проволокой; флюсы АН-26С, АН-26П и АН-26СП — для автоматической и полуавтоматической сварки нержавеющих, коррозионностойких и жаропрочных сталей соответствующими сварочными проволоками. Индекс СП указывает, что флюс состоит из зерен стекловидного и пемзовидного строения. При надлежащем выборе технологии низкокремнистые флюсы перечисленных выше марок можно применять для сварки и наплавки иных типов стали в сочетании с соответствующими сварочными проволоками.
Из силикатов, алюминатов и алюмосиликатов магния состоит флюс 48-ОФ-10. В его составе много СаР2. Флюс предназначен для дуговой наплавки лентой и сварки легированных и низколегированных сталей. Для наплавки легированных сталей и чугуна предназначен флюс АН-28. Суммарное содержание SiO2 и А12О3 в нем составляет 43—53%, СаО и CaF2 47—53%. Флюс имеет пемзовидное строение и цвет от белого до темносерого. Высокие стабилизирующие свойства флюса АН-28 позволяют надежно вести наплавку не только проволокой, но и широкой лентой. Для сварки легированных сталей предназначен и флюс АВ-5 (табл. 7-37).
Проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона исследования показали, что введение в состав низкокремнистых флюсов окислов железа способствует значительному улучшению механических свойств металла шва. С этой целью разработаны флюсы АН-17, АН-17М и другие, имеющие стекловидное строение и черный цвет.
Разработка составов низкокремнистых флюсов за рубежом вызвана необходимостью при сварке углеродистых сталей уменьшить окисление вводимого с проволокой марганца. Высококрем-
Таблица 7-37
Состав плавленых низкокремнистых флюсов, % по массе
Марка флюса
SiO2
АЦОз
СаО
МпО
MgO
Са F2
Na2O и К2О
FeO
48-ОФ-10
9—12
28—34
< 8
11—14
35—45
АН-28
5—10
36—45
35—44
<2
5—15
1—2
<2
АВ-5 *
15—20
18—23,5
12—18
—
—
35—45
3
—
АН-17
17—21
21—25
14,5—18,5
4—6
9—12
19—23
—
7,5—9,5
Rot
35
20
31
—
10
3
—
<1
Grim **
32
16
29
6
9
4
2
=<0,5
-UM90 **
33
20
7
28
2
5
—
<2
Примечание. Дополнительно содержат * 4 — 5% NaF, ** 1% TiO2.
нистые безмарганцевые флюсы типа UM20 или UM30, содержащие около 50% SiO2, вследствие развития кремневосстановительного процесса значительно уменьшают содержание марганца в металле сварочной ванны. Меньшего окисления марганца достигли заменой части SiO2 окисью алюминия — флюс Rot, а также введением в состав флюса окислов марганца — флюсы UM90 и Griin (см. табл. 7-38).
Хотя окислительное действие низкокремнистых флюсов, особенно не содержащих окислов марганца, на металл сварочной ванны невелико, все же оно достаточно, чтобы полностью или в значительной степени окислить и перевести в шлак такие элементы, как титан, алюминий, цирконий и др. Недо татком этих флюсов является также плохая отделимость шлака от поверхности швов, содержащих ванадий и ниобий, вследствие окисления поверхности шва жидким шлаком. Низкокремнистые флюсы мало пригодны для получения стабильноаустенитных швов и сварки высоконикелевых жаропрочных сплавов ввиду недопустимо высокой окислительной способности, загрязнения металла шва неметаллическими силикатными включениями и значительного перехода кремния в шов.
Перечисленные недостатки низкокремнистых флюсов вызвали необходимость разработки и применения бескремнистых, безмар- ганцевых флюсов, не содержащих в своем составе SiO2, МпО и других непрочных окислов или же содержащих их только в качестве загрязняющей примеси. Бескремнистые флюсы состоят из таких прочных окислов, как А12О3, СаО и MgO, а также из фторидов щелочных и щелочноземельных металлов (табл. 7-38).
Флюс 48-ОФ-6 применяют при автоматической дуговой сварке и наплавке легированных сталей. Состоящий из фтористого кальция и прочных окислов (см. табл. 7-38), он мало влияет на химический состав металла шва. Гранулированный по мокрому способу флюс 48-ОФ-6 с целью возможно более полного удаления из него влаги обязательно прокаливают при высокой температуре. „
Для автоматической дуговой наплавки легированных сталей предназначены флюсы АН-30 и АН-70 (см. табл. 7-38). Флюс АН-30 имеет стекловидное строение зерен, флюс АН-70 — пемзовидное. К бескремнистым относятся флюсы АНФ-6 и АНФ-7, нашедшие
Таблица 7-38
Состав плавленых бескремнистых флюсов, % по массе
Марка флюса
Сар2
NaF
A12O3
СаО
MgO
S1O2
FeO
не б
олее
48-ОФ-6
45—60
20—27
16—23
<3
4
1,5
АН-30
19—23
39—44
16—20,5
13—16
2—5
1,0
АН-70
15—25
1—3
35—45
25—35
—
8
1,0
Таблица 7-39
Состав плавленых флюсов, применяемых при свйркё высоколегированных сталей и сплавов, % по массе
Марка флюса
CaF2
NaF
А12Оз
СаО
MgO
S1 Ог
АНФ-Ш
92—96
4—6
<1,5
АНФ-5
75—80
17—25
—
—.
АНФ-7
65—75
—
18—30
—
<2
АНФ-8 . . . .
45—55
—
25—35
12—18
—
<2
АНФ-23
61—64
21—25
10—13
<2
АНФ-22
86—92
—
—
2—3
—
—
АНФ-17
48—55
—
22—26
3—5
—
Следы
АНФ-14
60—65
10—12
С 0,8
4—8
14—16
АНФ-16 . .. .
50—55
5—7
23—32
» 5
5—9
АН-29. .
10—15
—
40—50
35—45
—
Следы
АН-292 . ..
—
—
58—61
33—37
4—7
<1,5
Примечание. В состав флюса АНФ-22 входит также 8 —12% В2О3, а в состав флюса АНФ-17 — 4 — 8% К2О и 9—13% МпО.
преимущественное применение при электрошлаковом переплаве Зерна этих флюсов имеют камневидное строение.
Плавленые флюсы для сварки высоколегированных сталей и сплавов. Для сварки высоколегированных сталей и сплавов преимущественно применяют флюсы с высоким содержанием фтористых соединений (фторидные флюсы). По химическому составу они относятся к солевому или солеоксидному типам. Кроме того, для сварки высоколегированных сталей и сплавов находят применение низкокремнистые флюсы и так называемые высокоосновные флюсы.
Сварку высоколегированных сталей под низкокремнистыми, бескремнистыми и фторидными флюсами, как правило, ведут на постоянном токе обратной полярности. Сварка на переменном токе дает отрицательные результаты как в отношении устойчивости дугового процесса, так и в отношении качества получаемых швов.
В зависимости от характера воздействия на металл сварочной ванны фторидные флюсы подразделяют на бескислородные, без- окислительные и окислительные (табл. 7-39).
Основой фторидных бескислородных флюсов (АНФ-Ш, АНФ-5, АНФ-24) является фтористый кальций, в качестве добавок используются фториды натрия (АНФ-5), магния (АНФ-24), бария и др. При сварке достигается высокое усвоение таких легирующих элементов, как титан, алюминий, бор, так как бескислородные флюсы их почти не окисляют. Кроме того, снижается содержание серы в металле шва. Вместе с тем эти флюсы не лишены технологических недостатков: ухудшенное формирование сварных швов и способность шунтировать дугу расплавленным шлаком, в ре-
Эультате чего нарушается устойчивость дугового процесса. Бескислородные флюсы применяют преимущественно для сварки аустенитными швами сталей и сплавов, содержащих легкоокис- ляющиеся элементы.
Фторидные безокислительные флюсы (АНФ-7, АНФ-8, АНФ-23) имеют фторидную основу (до 50%) и содержат некоторое количество прочных окислов, например СаО, MgO или А12О3. Введение этих окислов продиктовано в основном стремлением улучшить формирующие свойства фторидных флюсов. Безокислительные фторидные флюсы рекомендуется применять для сварки аустенитных швов.
Фторидные окислительные флюсы также имеют фторидную основу, но содержат наряду с прочными окислами такие непрочные кислородные соединения, как окислы марганца (флюсы АНФ-15, АНФ-17), окись бора (флюс АНФ-22). Флюс АНФ-17 предназначен для сварки чистоаустенитных швов, не содержащих титана, алюминия и бора, флюс АНФ-22 — для сварки аустенитно- боридных швов.
Сварка под фторидными окислительными флюсами, содержащими окислы марганца и бора, сопровождается окислением кремния, серы, фосфора и легированием металла шва марганцем и бором. Марганец и бор (при содержании более 0,2%) положительно влияют на стойкость чистоаустенитных швов против образования кристаллизационных трещин. Естественно, что при этом наблюдается значительный угар титана и алюминия. Чтобы компенсировать потерю этих элементов и связанное с этим снижение прочности металла шва, используют сварочные проволоки, дополнительно легированные ниобием, молибденом и вольфрамом.
Интенсивность окислительно-восстановительных процессов при сварке под фторидными окислительными флюсами увеличивается с ростом напряжения дуги и уменьшением величины сварочного тока.
Фторидные окислительные флюсы АНФ-14, АНФ-16 и АНФ-25 (система CaF—А12О3—СаО—MgO—SiO2) рекомендуют для сварки аустенитно-ферритных швов и швов на хромистых коррозионностойких сталях. Для тех же сталей применяют низкокремнистые флюсы 48-ОФ-10 и АН-26. Низкокремнистые окислительные флюсы пригодны также и для сварки аустенитных сталей. Так, хорошие результаты получены при сварке стабильноаустенитной стали ЭИ943 и других под флюсом АН-18, содержащим окислы железа.
К высокоосновным относятся окисные флюсы на основе устойчивых окислов СаО, MgO, А12О3. Они могут содержать также некоторое количество фторидов (флюс АН-29). Высокоосновные флюсы сочетают в себе хорошие металлургические и технологические свойства. Их особенность состоит в том, что во избежание образования пор сварку под ними необходимо выполнять на постоянном токе прямой полярности, тогда как при использовании фторидных и низкокремнистых флюсов — на постоянном
токе обратной полярности. Под высокоосновными флюсами АН-29, АН-292 и т. п. рекомендуется сваривать чистоаустенитные швы (см. табл. 7-39).
При выплавке в восстановительных условиях в высокоосновных флюсах образуются карбиды кальция и магния. Такие карбидные флюсы рекомендуется применять при сварке аустенитно- карбидных швов. При сварке под карбидными флюсами повышается стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин и пор.
Во избежание пор в швах фторидные флюсы необходимо прокаливать в интервале температур 500—900° С в течение 1—2 ч. Флюсы стекловидного строения, например АН-26С, можно прокаливать и при более низких температурах, соответственно увеличив время выдержки.
Керамические флюсы для сварки легированных сталей. В сочетании с керамическими флюсами для сварки легированных сталей используют как низкоуглеродистую, так и легированную и высоколегированную сварочную проволоку. В первом случае введение в металл шва всех необходимых легирующих элементов обеспечивается за счет керамического флюса и основного металла. Во втором случае с керамическим флюсом в металл шва добавочно вводят только элементы, отсутствующие или почти отсутствующие в составе сварочной проволоки и основного металла. В зависимости от того, для сварки какой стали и в сочетании с какой проволокой применяется керамический флюс, подбирают состав его металлических составляющих.
По составу шлакообразующих веществ керамические флюсы для сварки легированных сталей преимущественно являются высокоосновными. Благодаря этому сводится к минимуму окисление легирующих элементов свариваемого металла, проволоки и самого флюса в процессе сварки.
В зависимости от шлакообразующих компонентов различают керамические флюсы для сварки легированных сталей на основе:
мрамора, содержащие флюорит и прочные окислы (TiO2, MgO); 2) магнезита (MgO), глинозема и флюорита, содержащие небольшие количества карбонатов и других веществ окислителей; 3) фторидов и глинозема (типа ФЦК).
Флюсы первой группы выделяют большое количество газов в процессе сварки и обеспечивают недостаточно хорошее формирование сварных швов. Наличие большого количества мрамора в их составе ведет к интенсивному выделению углекислого газа. В качестве вяжущего вещества при их изготовлении используют жидкое стекло, содержащее SiO2. Углекислый газ и двуокись кремния окисляют металл сварочной ванны, в особенности легко окисляемые элементы (алюминий, титан и др.). В связи с этим в состав флюсов приходится вводить относительно большие количества легирующих компонентов и раскислителей.
Керамические флюсы второй группы отличаются хорошими технологическими свойствами в широком диапазоне режимов сварки и обеспечивают высокую хладостойкость швов при сварке низколегированных сталей.
Шлакообразующей основой керамических флюсов типа ФЦК являются фториды и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов, а также глинозем. Последний вводят для улучшения качества формирования швов. Флюсы типа ФЦК изготовляют спеканием смесей порошкообразных материалов при высоких температурах без введения в их состав жидкого стекла. В связи с особенностями состава и технологии изготовления эти флюсы практически полностью пассивны по отношению к легкоокисляе- мым элементам.
Флюсы для сварки цветных металлов и сплавов. Дуговая сварка под флюсом и электрошлаковая сварка находят все большее применение при получении неразъемных соединений цветных металлов и сплавов. Во многих случаях эти способы сварки имеют преимущество перед дуговой сваркой в среде защитных газов. Рассмотрим отдельно флюсы для сварки алюминия, титана и меди.
Флюсы для сварки алюминия и его сплавов. К флюсам для сварки алюминия и его сплавов предъявляют следующие требования: химическая нейтральность или небольшая химическая активность по отношению к жидкому металлу сварочной ванны и к металлу шва; легкоплавкость, так как температуры плавления алюминия и его сплтвов очень низкие (для алюминия она равна 600° С); малая плотность, так как плотность алюминия в 3 раза меньше плотности стали. Этим требованиям удовлетворяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов щелочных и других металлов. Ввиду высокой склонности швов на алюминии и его сплавах к образованию пор сварка под флюсом этих металлов не нашла практического применения.
В небольшом объеме используют сварку по флюсу. При этом способе металл сварочной ванны защищают от действия воздуха пары флюса, образующиеся при нагревании жидкого флюса теплотой дуги. Для сварки по флюсу алюминия и его сплавов, не содержащих магния, применяют флюс АН-А1. Состав флюса: 50% хлористого калия, 30% криолита и 20% хлористого натрия. Количества КО может колебаться во флюсеот 40 до 50%, a NaCl от 15 до 30% без вреда для устойчивости процесса сварки и качества металла шва. Флюс АН-А1 изготовляют сплавлением входящих в его состав солей или механическим их смешиванием.
Для сварки алюминиевомагниевых сплавов флюс АН-А1 непригоден, потому что натрий из флюса частично восстанавливается и поступает в шов. Это повышает пористость швов и значительно уменьшает пластичность металла шва. Для сварки алю- миниево-магниевых сплавов применяют флюс АН-А4, не содержащий солей натрия.
Для электрошлаковой сварки алймййия и еГо сплавов разработано несколько специальных флюсов, содержащих 20— 60% КО, 10—40% LiCl, 5—30% ВаС12 и 2—20% LiF.
Флюсы для сварки титана и его сплавов. Титан и его сплавы обычно сваривают под флюсом или в среде защитного газа. Флюс для сварки титана и его сплавов должен защищать зону сварки от доступа воздуха, а при взаимодействии с титаном не загрязнять его вредными примесями. Положительные результаты в отношении устойчивости процесса сварки, формирования швов, их плотности и химического состава получены при применении бескислородных флюсов, состоящих из наиболее тугоплавких фторидов щелочных и щелочноземельных металлов.
Весьма важной металлургической особенностью сварки титана и его сплавов под флюсом является взаимодействие флюса с металлом, в результате чего возможно восстановление титаном натрия из фтористого натрия, чем, по-видимому, и объясняется измельчение структуры металла шва при сварке под флюсами с фтористым натрием. Фтористый натрий и фтористый кальций могут реагировать с окислами титана. Кроме того, фтористые соединения могут растворять окислы титана.
С точки зрения наиболее полного металлургического взаимодействия флюса с титаном и его окислами, з состав флюса желательно вводить больше фтористых соединений и меньше хлористых. Из фторидов в качестве компонентов флюса наиболее подходят те, которые вместе с высокой температурой плавления способны лучше реагировать с окислами титана. Однако флюс, состоящий только из фтористых соединений, не обладает необходимыми технологическими свойствами, поэтому часть фтористых соединений заменяют хлористыми.
Для сварки титана и его сплавов разработан ряд флюсов серии АН-Т, изготовляемых сплавлением смеси порошкообразных фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. Компонентами шихты для выплавки этих флюсов служат чистые химические реактивы. По химическому составу флюсы для сварки титана и его сплавов — это двух- или трехкомпонентные солевые сплавы, главной составляющей которых является CaF2. Их следует хранить в сухом месте в герметически закрытой посуде, а перед сваркой просушивать при температуре 200—300° С. Содержание влаги во флюсе не должно превышать 0,05%.
При электрошлаковой сварке титана хорошие результаты получены при использовании однокомпонентного флюса АН-Т2. Однако чтобы предупредить загрязнение металла шва азотом, кислородом и водородом, одной шлаковой защиты недостаточно. Газы в шов могут проникнуть из воздуха через шлаковую ванну, поэтому при электрошлаковой сварке титана поверхность шлаковой ванны необходимо защищать от воздуха инертным газом.
Флюсы для сварки меди и ее сплавов. Вследствие небольшой химической активности меди и ряда ее сплавов при их сварке
363
применяют флюсы, используемые для сварки стали (АН-26, АН-20, АН-348-А). При сварке на постоянном токе обратной полярности эти флюсы обеспечивают удовлетворительную устойчивость дугового процесса. Флюс АН-348-А и другие высококремнистые марганцевые флюсы рекомендуется применять только при сварке меди толщиной не свыше 8 мм. Для сварки более толстого металла используют флюсы АН-26 или АН-20 стекловидного строения.
Хотя интервал температур плавления перечисленных флюсов (1100—1250° С) лежит выше температуры плавления меди (1083° С) и ее сплавов (900—1050° С), при сварке под ними обеспечивается удовлетворительное формирование сварных швов. Отделимость шлака с поверхности шва вполне удовлетворительная. Шлак с поверхности швов на латуни отделяется лучше, чем с поверхности швов на меди и бронзе.
Для повышения стойкости швов против пористости при сварке меди большой толщины рекомендуется механическая смесь флюсов АН-26П (80%) и АН-60 (20%). Для электрошлаковой сварки меди разработаны флюсы на основе фтористых солей щелочноземельных металлов.
Флюсы для электрошлаковой сварки. Вследствие принципиальных отличий процесса электрошлаковой сварки от электро- дуговой флюсы для электрошлаковой сварки углеродистых и легированных сталей следует рассмотреть отдельно. Особые требования, предъявляемые к флюсам для электрошлаковой сварки, обусловлены, с одной стороны, необходимостью обеспечить устойчивый электрошлаковый процесс и, с другой — наличием устройств для удержания шлаковой и металлической ванн.
Флюс для электрошлаковой сварки должен соответствовать следующим требованиям: обеспечивать быстрое и легкое начало электрошлакового процесса и поддерживать устойчивое его прохождение, в особенности при малой глубине шлаковой ванны и большой скорости подачи сварочной проволоки; обеспечивать удовлетворительное формирование поверхности шва без подрезов и наплывов, не отжимать ползуны от свариваемых пластин и не вытекать в зазоры между ползунами и кромками при достижимой на практике точности сборки свариваемых изделий; образовывать легко отделяющийся с поверхности шва шлак; иметь высокую температуру кипения.
Эти требования в основном удовлетворяются при соответствующих значениях электропроводности и вязкости флюса.
Все флюсы, применяемые при электрошлаковой сварке (см. табл. 7-1, 7-3 и 7-39), плавленые. По химическому составу их можно разделить на несколько групп: высококремнистые марганцевые (ФЦ-7, АН-348-А); низкокремнистые марганцевые (АН-8, АН-22); бескремнистые (48-ОФ-6, АН-25); фторидные (АНФ-Ш, АНФ-5 и др.).
Устойчивость электрошлакового процесса возрастает с повышением электропроводности флюса в жидком состоянии. Чем
334
не должен быть слишкомне должен быть слишкомРис. 7-36. Изменение вязкости некоторых флюсов в зависимости от температуры
не должен быть слишком
не должен быть слишком
меньше электропроводность флюса, тем при более высоком напряжении необходимо проводить электрошла- ковую сварку. Соответственно этому напряжение сварки при флюсе АНФ-Ш обычно составляет 25—30 В, при флюсе АН-8 — около 40 В, а при флюсе ФЦ-7— 45—50 В.
Флюс для электрошлаковой сварки
тугоплавким или коротким, в противном случае будет иметь место отжимание ползунов, приводящее при сварке швов большой
протяженности к вытеканию сварочной ванны и прекращению процесса сварки. Вместе с тем, чтобы флюс не вытекал в зазоры между ползунами, он не должен быть чрезмерно жидкотеку
чим.
При электрошлаковой сварке требуется оптимальная вязкость флюса, при которой не произойдет ни отжимания ползунов от свариваемых кромок, ни вытекания шлака в зазоры. Если шов формируется без применения ползунов (сварка с неподвижной подкладкой), вязкость флюса играет второстепенную роль и основным требованием, предъявляемым к физическим свойствам флюса, является высокая электропроводность.
Флюсы АН-348-А, АН-8, АН-22 и АНФ-Ш заметно отличаются как по характеру изменения вязкости (рис. 7-36), так и по абсолютной ее величине при температуре плавления стали. Наиболее длинным является флюс АН-8, а наиболее коротким — флюс АНФ-Ш. Флюс АН-8 расплавляется при наиболее низкой температуре, затем идут флюсы АН-22 и АН-348-А. Наиболее тугоплавкий флюс — флюс АНФ-Ш. В связи с этим наибольшая опасность отжимания формирующих устройств и вытекания шлаковой ванны возникает при флюсе АНФ-Ш.
Опыт электрошлаковой сварки показывает, что лучшими технологическими свойствами при сварке углеродистой и низколегированной сталей низкоуглеродистой или низколегированной проволокой протяженными швами с применением формирующих ползунов обладает флюс АН-8. Флюсы ФЦ-7 и АН-348-А мало пригодны для сварки таких швов; процесс сварки под этими флюсами характеризуется меньшей устойчивостью, особенно при повышенных скоростях подачи проволоки и малой глубине шлаковой ванны. Флюс АН-22 обеспечивает очень хорошие результаты при электрошлаковой сварке низколегированных и легированных сталей.
Для электрошлакового переплава сталей лучшими являются флюсы на основе CaF2, А12О3 и СаО (АНФ-6, АНФ-Ш и др.).
Для начала электрошлакового процесса служит флюс АН-25, электропроводный в твердом состоянии. Другие флюсы, предназначенные для электрошлаковой сварки, находясь в твердом состоянии, электрического тока не проводят. Для обеспечения начала электрошлакового процесса при применении флюса АН-25 кусочки его помещают между свариваемым изделием и электродом. Проводя сварочный ток, они нагреваются, а затем образуют ванночку шлака, позволяющую начать электрошлаковый процесс. Состав флюса АН-25 следующий (по массе %): 35—40 TiO2, 33— 40 CaF2, 12—15 СаО, 6—9 SiO2, 2—4 MgO, до 2 A12OS, до 1 FeO.
Чтобы начать электрошлаковую сварку без флюса АН-25, сперва возбуждают электрическую дугу с целью создания ванночки жидкого флюса, позволяющей перейти к электрошлако- вому процессу. В жидком состоянии все флюсы проводят электрический ток.
Электрошлаковая сварка характеризуется весьма небольшим расходом флюса, примерно в 20 раз меньшим, чем при дуговой сварке под флюсом. Ввиду малого обмена шлака в процессе сварки в шлаковой ванне постепенно накапливаются продукты взаимодействия шлака и металла, в первую очередь окислы железа. В результате тормозится прохождение кремние- и марганцевосстановительных процессов, усиливается окисление углерода и таких легирующих элементов, как титан, алюминий, хром. Это ведет к некоторому изменению химического состава металла шва по его длине.
§ 7-5. Защитные газы
В качестве защитных газов при сварке плавлением применяют инертные газы, активные газы и их смеси.
Инертные газы. Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Это одноатомные газы, атомы которых имеют заполненные электронами наружные электронные оболочки, чем и обусловлена их химическая инертность. Из инертных газов для сварки используют аргон, гелий и их смеси. ,
Аргон — негорючий и невзрывоопасный газ. Он не образует взрывчатых смесей с воздухом. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. Аргон газообразный чистый поставляется согласно ГОСТ 10157—62 трех марок: А, Б и В (табл. 7-40). Содержание влаги для газообразного аргона всех трех марок не должно превышать 0,03 г/м3.
Аргон марки А рекомендуется применять для сварки и плавки активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, а также для сварки особо ответственных изделий из других материалов на заключительных этапах изготовления. Аргон марки Б предназначен для сварки и плавки плавящимся и неплавящимся вольфрамовым электродом сплавов на основе
366
алюминия и магния, а также Таблица 7-40
других сплавов, чувствитель- Состав газообразного аргона ных к примесям растворимых (ГОСТ 10157—62), об %
в металле газов, аргон марки
В рекомендуется ДЛЯ сварки ИСодержание
плавки хромоникелевых корро-
Л
Б
В
зионностойких и жаропрочных
сплавов, легированных сталейКислГ°пада
различных марок и чистогоАзота
алюминия.
99,99 0,003 0,01
99,96 0,005 0,04
99,90 0,005 0,10
Аргон следует хранить и
транспортировать в стальных цельнотянутых баллонах, соответствующих требованиям ГОСТ 949—57. В баллоне при давлении 150 ат содержится около 6 м3 газообразного аргона. Баллон для хранения чистого аргона окрашен в нижней части в черный, а в верхней части — в белый цвет. На верхней части баллона черными буквами нанесена надпись «Аргон чистый».
Аргон в основном получают из воздуха, в котором он содержится в относительно небольшом количестве (1,28% по массе). Производство аргона осуществляется на кислородных установках с аргонными приставками. В этих приставках сырой аргон очищается до необходимой степени чистоты от азота и кислорода.
Гелий подобно аргону химически инертен, но в отличие от него значительно более легок Гелий легче воздуха, что усложняет защиту сварочной ванны и требует большего расхода защитного газа. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает более интенсивный нагрев зоны сварки, что обусловливается большим
градиентом падения напряжения в дуге.Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический (табл. 7-41). Хранят и транспортируют гелий в стальныхТаблица 7-41цельнотянутых баллонах приградиентом падения напряжения в дуге.Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический (табл. 7-41). Хранят и транспортируют гелий в стальныхТаблица 7-41цельнотянутых баллонах приСодержаниеГелий высокой чистотыГелий техническийГелия (не менее)99,98599,8Водорода (не более)0,00250,06Азота (не более)0 0050,12Кислорода (не более)0,0020,005Углеводородов (не более)0,0030,005Неона (не более)0,0020,005Точка росы (не выше)-55° С—50° ССодержаниеГелий высокой чистотыГелий техническийГелия (не менее)99,98599,8Водорода (не более)0,00250,06Азота (не более)0 0050,12Кислорода (не более)0,0020,005Углеводородов (не более)0,0030,005Неона (не более)0,0020,005Точка росы (не выше)-55° С—50° ССостав газообразного гелия (МРТУ 51-77—66), об. %Состав газообразного гелия (МРТУ 51-77—66), об. %давлении до 150 ат. Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «Гелий». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57.Гелий добывают из природных углеводородных газов путем их охлаждения в специальных установках. При этом газообразные метан, этан и другие углеводороды сжижаются, а гелий остается в газообразном состоянии, так как имеет очень низкую температуру сжижения (—269° С). Особенно богатыдавлении до 150 ат. Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «Гелий». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57.Гелий добывают из природных углеводородных газов путем их охлаждения в специальных установках. При этом газообразные метан, этан и другие углеводороды сжижаются, а гелий остается в газообразном состоянии, так как имеет очень низкую температуру сжижения (—269° С). Особенно богаты
градиентом падения напряжения в дуге.
Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический (табл. 7-41). Хранят и транспортируют гелий в стальных
Таблица 7-41цельнотянутых баллонах при
градиентом падения напряжения в дуге.
Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий высокой чистоты и гелий технический (табл. 7-41). Хранят и транспортируют гелий в стальных
Таблица 7-41цельнотянутых баллонах при
Содержание
Гелий высокой чистоты
Гелий технический
Гелия (не менее)
99,985
99,8
Водорода (не более)
0,0025
0,06
Азота (не более)
0 005
0,12
Кислорода (не более)
0,002
0,005
Углеводородов (не более)
0,003
0,005
Неона (не более)
0,002
0,005
Точка росы (не выше)
-55° С
—50° С
Содержание
Гелий высокой чистоты
Гелий технический
Гелия (не менее)
99,985
99,8
Водорода (не более)
0,0025
0,06
Азота (не более)
0 005
0,12
Кислорода (не более)
0,002
0,005
Углеводородов (не более)
0,003
0,005
Неона (не более)
0,002
0,005
Точка росы (не выше)
-55° С
—50° С
Состав газообразного гелия (МРТУ 51-77—66), об. %
Состав газообразного гелия (МРТУ 51-77—66), об. %
давлении до 150 ат. Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «Гелий». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57.
Гелий добывают из природных углеводородных газов путем их охлаждения в специальных установках. При этом газообразные метан, этан и другие углеводороды сжижаются, а гелий остается в газообразном состоянии, так как имеет очень низкую температуру сжижения (—269° С). Особенно богаты
давлении до 150 ат. Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «Гелий». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57.
Гелий добывают из природных углеводородных газов путем их охлаждения в специальных установках. При этом газообразные метан, этан и другие углеводороды сжижаются, а гелий остается в газообразном состоянии, так как имеет очень низкую температуру сжижения (—269° С). Особенно богаты
гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для сварки в этой стране. В небольшом количестве гелий содержится в воздухе, и его подобно аргону получают в качестве побочного продукта в кислородных установках.
Инертные газовые смеси состоят, как правило, из аргона и гелия. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Особенно хорошими защитными свойствами обладает инертная газовая смесь, состоящая из 70 об. % аргона и 30. об.% гелия. Плотность такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически активных металлов находит применение инертная смесь, содержащая 60—65 об. % гелия, а остальное аргон. Инертные газовые смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по интенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки. Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой теплопроводностью.
Инертные газовые смеси требуемого состава обычно получают путем смешивания газов, поступающих из двух отдельных баллонов, при помощи специальных смесителей. Некоторые зарубежные фирмы поставляют в баллонах готовую аргоно-гелиевую смесь требуемого состава.
х) Смеси инертных и активных газов находят все более широкое применение при сварке плавящимся электродом сталей различных классов ввиду их технологических преимуществ: меньшей по сравнению с активными газами интенсивностью химического воздействия на металл сварочной ванны, высокой устойчивости дугового процесса, благоприятного характера переноса электродного металла через дугу. По сравнению с чистым аргоном смеси инертных и активных газов имеют преимущества при сварке конструкционных сталей. Известно, что при плавящемся электроде лучшие характеристики процесса сварки обычно достигаются на постоянном токе обратной полярности. Однако при сварке стали применение в качестве защитного газа чистого аргона сопровождается нестабильностью положения катодного пятна на поверхности изделия. В результате получаются плохо сформированные сварные швы.\|
Добавка к аргону небольшого количества кислорода или другого окислительного газа существенно повышает устойчивость горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов. Наличие кислорода в атмосфере дуги способствует более мелкокапельному переносу электродного металла. Это обусловлено поверхностно-активным действием кислорода на железо и его сплавы. Растворяясь в жидком металле и скапливаясь преимущественно на поверхности, кислород значительно снижает его поверхностное натяжение. В результате облегчается образование отдельных капель металла, а их размер уменьшается. Поэтому для сварки стали применяют не чистый аргон, а смеси с кислородом и углекислым газом Аг—О2, Аг—СО2, Аг—СО2—О3.
Рис. 7-37. Форма провара при сварке в защитных газах:
а — в аргоне;
б — в углекислом газе
Для сварки аустенитных сталей а)5)
плавящимся электродом рекомендуется применять аргон с добавкой 1 об. % кислорода. Такая газовая смесь обеспечивает устойчивый процесс сварки и вместе с тем слабо окисляет металл сварочной ванны. Смесь аргона с 2 или 5 об. % кислорода целесообразно применять при сварке ферритных сталей, когда требуется струйный перенос электродного металла. При сварке в таких газовых смесях качество формирования швов высокое, а разбрызгивание электродного металла очень невелико. Недостатками упомянутых смесей аргона с кисло
родом являются интенсивное излучение дуги и характерное для аргона пальцевидное проплавление основного металла.
V В этом отношении значительно лучшими являются смеси, содержащие углекислый газ. При сварке в смесях Аг +20% СО2 и Аг + (15-ь 30%) СО2 + 5% О2 интенсивность излучения столба дуги относительно невелика, а форма проплавления основного металла такая же, как и у углекислого газа (рис. 7-37). Вместе с тем эти смеси по химическому воздействию на металл сварочной ванны приближаются к углекислому газу, ц/
Из табл. 7-42 видно, что наиболее неблагоприятные изменения химического состава металла сварочной ванны происходят при защите углекислым газом. Металл науглероживается, а содержание марганца, ниобия и кремния заметно снижается. В результате снижается коррозионная стойкость металла шва, характеризуемая соотношением концентраций ниобия и углерода. Металл шва, сваренный в смеси Аг +1 % О2, наименее отличается по химическому составу от исходной сварочной проволоки. Швы, сваренные в газовых смесях, содержащих углекислый газ, занимают в этом отношении промежуточное положение. Вместе с тем окисление металла сварочной ванны входящими в состав газовых смесей
Таблица 7-42
Состав металла шва, сваренного аустенитной проволокой, % не менее
Защитная среда
С
Si
Мп
Ni
Сг
Nb
Соотношение Nb . С
со2. . .
0,13
0,46
0,51
8,3
18,3
0,63
4,8
Аг + 1% О2 . . . .
0,06
0,60
0,65
8,3
18,6
0,79
13,2
Аг + 20% СО2 . . . . Аг + 15% СО2 + 5% О2
0,10
0,56
0,62
8,3
18,5
0,79
7,9
0,08
0,57
0,60
8,3
18,5
0,83
10,2
Состав проволоки . . .
0,06
0,62
0,70
8,3
18,6
0,83
13,8
24 Заказ № 782
369
активными газами имеет и положительное значение, о чем уже говорилось выше.
Аргоно-водородную смесь (до 20 об. % Н2) применяют при микроплазменной сварке Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более острым, сконцентрированным. Кроме того, водород создает в зоне сварки необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.
При транспортировке баллонов с газом и работе с ними необходимо соблюдать правила обращения с баллонами высокого давления Вследствие высокого внутреннего давления стенки баллонов находятся в напряженном состоянии и всякое местное возрастание напряжений может служить причиной разрушения недостаточно высококачественного баллона. Поэтому баллоны со сжатыми газами нельзя бросать и подвергать ударам и нагреву. Особую осторожность следует соблюдать зимой. У рабочего места баллон должен быть размещен вертикально и обязательно закреплен.
Активные газы. Активными защитными газами называют газы, способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке стали в качестве защитной среды применяют углекислый газ Ввиду химической активности его по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом. Применение углекислого газа обеспечивает надежную защиту зоны сварки от соприкосновения с воздухом и предупреждает азотирование металла шва. Углекислый газ оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие (см. табл. 7-42) Из легирующих элементов ванны наиболее сильно окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно — кремний, марганец, хром, ванадий и др
Препятствием для применения углекислого газа в качестве защитной среды прежде являлись поры в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения СО вследствие недостаточной его раскисленности. Применение сварочных проволок с повышенным содержанием кремния устранило этот недостаток, что позволило широко использовать углекислый газ в сварочном производстве
Углекислый газ (двуокись углерода) бесцветен, не ядовит, тяжелее воздуха. При давлении 760 мм рт ст. и температуре 0° С плотность углекислого газа равна 1,97686 г/л, что в 1,5 раза больше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. Жидкая углекислота — бесцветная жидкость, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении 1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0° С) образуется 509 л углекислого газа.
В промышленном масштабе углекислоту получают в специальных установках путем извлечения ее из дымовых газов, образу-
ющихся при сжигании топлива, из гадов брожения в спиртовой промышленности и газов, получающихся при обжиге известняка. Углекислоту транспортирую! в жидком состоянии в стальных баллонах или изотермических емкостях. В стальных баллонах углекислота находится под давлением до 50 ат, откуда отбирается в газообразном состоянии. Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57, быть окрашенными в черный цвет с надписью «СО 2 сварочный», нанесенной желтой масляной краской. В обычный стандартный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг углекислоты, при испарении которой образуется 12 600 л газа.
Углекислота поставляется по ГОСТ 8050—64 (углекислый газ сжиженный) четырех сортов (табл. 7-43)
В углекислом газе не должны содержаться минеральные масла, глицерин, сероводород, соляная, серная и азотная кислоты, спирты, эфиры, органические кислоты и аммиак. В баллонах со сварочной углекислотой, кроме того, не должно быть воды. Ввиду дефицитности сварочной углекислоты I сорта для сварки находит применение сварочная углекислота II сорта и пищевая. Повышенное содержание водяных паров в такой углекислоте может при сварке привести к образованию пор в швах и снизить пластические свойства сварного соединения.
Влажность газа повышается в начале и конце отбора газа из баллона, поэтому в этих случаях чаще всего появляются дефекты в швах. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглотителями влаги.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой углекислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый газ.
Для сварки может быть применена и твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162—66 двух марок — пищевая и техническая По содержанию примесей пищевая двуокись углерода соответствует требованиям, предъявляемым к жидкой сварочной углекислоте, тогда как техническая двуокись углерода загрязнена минеральными маслами. Сухой лед вырабатывают в виде блоков цилиндрической или прямоугольной формы.
В последние годы находит промышленное применение при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей газовая смесь углекислого газа с кислородом (СО2 + + О2). В Советском Союзе применяют смесь, содержащую 30 об. % кислорода, в Японии — смесь с меньшим количеством кислорода (не более 20 об %) Смесь СО2 + О2 оказывает более интенсивное 24*371
Таблица 7-45
Состав углекислоты, об %
Содержание
Сорт
Сварочная, I сорт
Сварочная, II сорт
Пищевая
Техни
ческая
СО2 (не менее)
99,5
99,0
98,5
98,0
СО (не более) Водяных паров при 760 мм
0
0
0
0,05
рт ст и 20° С (не более), 1 /м3
0,178
0,515
Не проверяется
окисляющее действие на жидкий металл, чем чистый углекислый газ. Благодаря этому повышается жидкотекучесть металла, что улучшает формирование шва и снижает привариваемость капель металла к поверхности изделия. Кроме того, кислород дешевле углекислого газа, что делает смесь экономически выгодной. Смесь СО 2 + 30% О 2 изготовляют из чистых углекислого газа и кислорода с помощью специальных смесителей.
Кислород входит в состав газовых смесей СО2 + О2 и Аг + О2. Это бесцветный газ без запаха, поддерживает горение. Газообразный кислород получают из атмосферного воздуха путем глубокого охлаждения или в результате электролиза воды. Кислород газообразный технический и медицинский поставляют по ГОСТ 5583—68. В зависимости от содержания кислорода и примесей технический газообразный кислород изготовляют трех сортов. Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее 99,7 об.%, во втором — не менее 99,5 об.% и в третьем — не менее 99,2 об.%.
Содержание паров воды в техническом кислороде всех трех сортов не должно превышать 0,005 г/м3, что соответствует точке росы — 63° С. Технический газообразный кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать более 0,7 об. % водорода. Газообразный кислород поставляют в стальных баллонах под давлением 150 или 200 кгс/см2. Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949—57, быть окрашенными в синий цвет с надписью «Кислород», нанесенной черной краской. На баллонах с кислородом, полученным электролизом воды, должна быть надпись «Кислород электролизный».
Водород применяется при атомно-водородной сварке. Водород не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Ввиду того, что смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны, при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной безопасности и специальные правила техники безопасности. В зависимости от способа получения технический водород выпускают четырех марок: А, Б, В и Г.
Наиболее чистым является технический водород марки А, полученный электролизом воды. Содержание водорода в нем 372
должно быть не менее 99%, остальное в основном кислород. Технический водород поставляют в стальных баллонах при давлении до 150 ат, резино-тканевых газгольдерах и похтрубопроводам. Баллоны с водородом окрашены в темно-зеленый цвет с тремя красными полосами по окружности.
Азот — бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает горение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимодействует с ней, а поэтому может быть использован при сварке меди в качестве защитного газа. Согласно ГОСТ 9293—59, азот поставляют четырех сортов: газообразный электровакуумный, газообразный 1-го сорта, газообразный 2-го сорта и жидкий. Содержание азота в этих сортах должно быть соответственно не менее об. %: 99,9; 99,5; 99 и 96. Главной примесью является кислород.
Азот получают из атмосферного воздуха путем его сжижения и ректификации. Газообразный азот транспортируют в стальных баллонах под давлением до 150 ат. Баллоны окрашены в серый цвет с коричневой полосой и надписью желтыми буквами «Азот» на верхней цилиндрической части. Жидкий азот перевозят в металлических сосудах Дьюара и в транспортных емкостях. При нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст. и температура 20° С) 1 кг жидкого азота соответствует 0,86 м3 газообразного азота.
Оборудование для сварки и наплавки
Для выполнения сварочных работ необходим комплекс оборудования, обеспечивающего при том или ином участии сварщика получение швов заданного качества и конфигурации. К этому оборудованию предъявляются многочисленные и разнообразные требования, так как на условия выполнения сварки больше, чем на какой-либо другой технологический процесс обработки металлов (резание, ковка и др.), влияют размеры и форма заготовок, качество и точность сборки, а также изменение в процессе работы размеров деталей вследствие тепловых деформаций и изменения многочисленных параметров режима сварки.
Комплект технологически связанного между собой оборудования, необходимого для выполнения сварочных работ, принято называть сварочным постом или сварочной установкой. В состав поста или установки в зависимости от степени их оснащенности входят: а) сварочное оборудование, к которому относятся источник питания и сварочный аппарат с приборами управления и регулирования процесса; б) технологические сборочно-сварочные приспособления, позволяющие осуществить быструю и точную сборку деталей под сварку, удержать их в нужном положении во время работы и предотвратить или уменьшить при этом коробление свариваемого изделия; в) механическое и вспомогательное оборудование, предназначенное для манипулирования свариваемым изделием в процессе наложения шва и для крепления и перемещения сварочных аппаратов; г) инструмент — совокупность орудий, употребляемых в сварочном производстве: электродо- держатели, щетки, рубильные молотки и т. п.
В каждом отдельном случае установка или сварочный пост может иметь все перечисленные элементы или некоторые из них. Стационарный пост 374
для ручной сварки — это участок производственной площади, снабженный источником сварочного тока, необходимыми технологическими приспособлениями и инструментом (рис. 8-1). Для защиты окружающих от излучения дуги участок огорожен брезентовыми шторами, перегородками или щитками. При сварке крупногабаритных изделий главным образом на монтаже используют передвижные посты, содержащие только источник питания, инструмент и легкие переносные средства защиты сварщика и окружающих.
Установка для автоматической сварки, показанная на рис. 8-2, содержит устройства для укладки, сборки и вращения свариваемого изделия, площадку для сварщика и другое оборудование. В ней механизированы, по крайней мере, две основные операции сварочного процесса: подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок. Установки, где механизирована только одна из этих операций, принято называть установками для полуавтоматической сварки (рис. 8-3).
В составе поста или установки всегда присутствуют сварочное оборудование и инструмент. В зависимости от особенностей свариваемых изделий и характера производства собственно процесс сварки имеет различный удельный вес. Значительное время расходуется на вспомогательные, сборочные и дополнительные работы, что снижает эффективность применения современных высокопроизводительных способов сварки. Поэтому сокращение
Рис. 8-1. Стационарный пост для ручной сварки:Рис. 8-1. Стационарный пост для ручной сварки:/ — источник питаиня, 2 — сварочный стол;3 — газоотсос;/ — источник питаиня, 2 — сварочный стол;3 — газоотсос;4 — ящик для инструмента, 5 — электрододержатель;6 — ящик с электродами4 — ящик для инструмента, 5 — электрододержатель;6 — ящик с электродами
Рис. 8-1. Стационарный пост для ручной сварки:
Рис. 8-1. Стационарный пост для ручной сварки:
/ — источник питаиня, 2 — сварочный стол;
3 — газоотсос;
/ — источник питаиня, 2 — сварочный стол;
3 — газоотсос;
4 — ящик для инструмента, 5 — электрододержатель;
6 — ящик с электродами
4 — ящик для инструмента, 5 — электрододержатель;
6 — ящик с электродами
Рис. 8-2. Установка для автоматической сварки:
/ — сварочный аппарат;
— источник питания;
— шкаф с аппаратурой управления;
— тележка с колоииой;
— свариваемое изделие,
— рельсовый путь тележки,
— стенд для укладки и вращения изделия 5;
— сварочный провод,
— провод управления,
— площадка сварщика
Рис. 8-3. Установка для полуавтоматиической сварки:
/ — сварочный аппарат;
— гибкий направляющий каиал для электродной проволоки;
— ручная горелка;
— платформа;
— катушка с электродной проволокой;
— подвеска полуавтомата;
— консоль с рельсом
цикла производства и высокое качество сварных швов могут быть достигнуты только при комплексной механизации сварочных, сборочных и вспомогательных операций. Уровень комплексной механизации обусловливает наличие в составе установки технологических приспособлений, механического, вспомогательного и другого оборудования (транспортного, контрольного и т. п.).
§8-1. Аппаратура и источники питания для дуговой сварки и наплавки
Процесс образования сварного соединения состоит из трех этапов: I — начала сварки (зажигание дуги и установление устойчивого дугового разряда); II — поддержания разряда и перемещения дуги вдоль кромок; III — прекращения сварки. Каждый из этапов предусматривает выполнение одновременно или в заданной последовательности ряда операций, в том числе: подвод к электроду и кромкам сварочного напряжения, возбуждение электрической дуги, нагрев кромок и присадочного материала, подача в зону дуги присадочного материала со скоростью, равной скорости его плавления, защита зоны сварки от соприкосно
вения с воздухом, перемещение дуги вдоль кромок, заварка кра
тера в конце шва и др.
На рис. 8-4 в качестве примера показана циклограмма процесса дуговой автоматической сварки плавящимся электродом в защитной газовой среде. По команде оператора включается сварочное напряжение на предварительно закороченный на изделие электрод. Одновременно электрод отрывается от изделия и включается подача защитного газа. За время ^ происходит возбуждение дуги. К моменту ^2 заканчивается установление дугового процесса: напряжение и ток достигают рабочей величины, начинается подача электрода в сторону изделия, образуется сварочная ванна и начинается движение дуги вдоль кромок. Время /2— Д соответствует основному этапу образования шва. Команда на
прекращение сварки вызывает остановку подачи электрода и пре
кращение движения вдоль кромок. Дуга растягивается до естественного обрыва (У, сила тока падает до нуля, сварочное напряжение отключается. Еще
Рис. 8-4. Последовательность выполнения операций при сварке плавящимся электродом в защитной газовой среде:
/ — сварочное напряжение; // — сварочный ток;
/// — скорость и направление подачи электрода, IV — подача газа,
V — движение вдоль кромок
некоторое время (4) продолжается подача газа для защиты от воздуха горячего металла.
Для различных способов сварки существуют свои циклограммы, определяющие последовательность операций. Эти операции могут выполняться вручную или механизированным путем, сварочным аппаратом, содержащим соответствующие механизмы и устройства для их выполнения.
Форма шва и качество соединения определяются параметрами режима сварки (/св, UR, исв и др.), а также точностью направления электрода по стыку, что достигается настройкой аппарата. Поскольку в процессе сварки вследствие внешних возмущений возможны отклонения от заданных режима или траектории, то источник питания и сварочный аппарат должны обеспечить возможность восстановления первоначальной настройки, осуществляемого вручную или автоматически.
Основные требования к источникам питания сварочной дуги. Сварочная дуга питается от специальных трансформаторов, генераторов или выпрямителей. Режим ее горения характеризуется силой тока /св, напряжением Дд и длиной дуги /д, а также взаимной связью между ними. Дуга как потребитель энергии и источник питания образует взаимосвязанную энергетическую систему.
Физические явления, происходящие в сварочной дуге, в основном освещены в гл. II. Установлено, что напряжение дуги при неизменном токе зависит от расстояния между электродами и имеет линейный характер (см. рис. 2-1). Напряжение дуги Uд зависит также от величины сварочного тока /св. Эту зависимость при постоянной длине дуги принято называть вольт-амперной характеристикой дуги (см. рис.2-3). Различают три участка кривой: крутопадающий, горизонтальный и возрастающий. Практическое значение имеют режимы горения дуги, соответствующие последним двум участкам. Режимы горения, соответствующие первому участку, относительно неустойчивы и поэтому трудно осуществимы при безопасных для работы напряжениях источников питания. С увеличением длины дуги расположение характеристики изменяется (рис. 8-6, кривые 5 и 6). Приведенная зависимость справедлива для сварки неплавящимся и плавящимся электродами. Однако в связи с тем, что в последнем случае металл попадает в ванну в виде отдельных капель, длина дуги непрерывно меняется, что вызывает колебания ее тока и напряжения.
Для объяснения многих процессов, происходящих при сварке плавящимся электродом, удобнее пользоваться характеристикой, снятой при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 8-5, кривые 1 и 2), называемой характеристикой устойчивой работы. Каждой скорости подачи (ип1, оп2- • •) соответствует очень небольшой диапазон токов, в котором дуга горит устойчиво и электродная проволока плавится стабильно. При этом очень небольшие изменения тока вызывают большие изменения напряжения.
Рис. 8-5.Вольт-амперная характеристика (/ и 2) дуги при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешняя характеристика (3—5) источника питанияРис. 8-5.Вольт-амперная характеристика (/ и 2) дуги при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешняя характеристика (3—5) источника питания^ Ац п^ Ац пРис. 8-6.Внешние характеристики источников питания (/—4, 7) и статические вольт- амперные характеристики сварочной дуги (5, 6)Рис. 8-6.Внешние характеристики источников питания (/—4, 7) и статические вольт- амперные характеристики сварочной дуги (5, 6)
Рис. 8-5.
Вольт-амперная характеристика (/ и 2) дуги при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешняя характеристика (3—5) источника питания
Рис. 8-5.
Вольт-амперная характеристика (/ и 2) дуги при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешняя характеристика (3—5) источника питания
^ Ац п
^ Ац п
Рис. 8-6.
Внешние характеристики источников питания (/—4, 7) и статические вольт- амперные характеристики сварочной дуги (5, 6)
Рис. 8-6.
Внешние характеристики источников питания (/—4, 7) и статические вольт- амперные характеристики сварочной дуги (5, 6)
Указанные выше закономерности справедливы и для постоянного, и для переменного тока, так как род тока не оказывает влияния на форму вольт-амперных характеристик электрической дуги. Влияние оказывают геометрия и материал электродов, условия охлаждения столба дуги и характер среды, в которой существует разряд.
Устойчивость горения дуги и стабильность режима сварки зависят от условий существования дугового разряда, свойств и параметров источников питания и электрической цепи. Внешней характеристикой источника питания называют зависимость напряжения на его зажимах от силы тока нагрузки (кривые 3, 4 и 5 на рис. 8-5). Каждая внешняя характеристика соответствует вполне определенному положению регулировочного устройства источника питания.
Различают следующие внешние характеристики источников питания (рис. 8-6): падающую 1, пологопадающую 2, жесткую 3 и возрастающую 4. Выбор источника питания по типу внешней характеристики производится в зависимости от способа сварки. Условия устойчивого горения дуги будут выполнены, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Установившийся режим работы системы сварочная дуга—источник питания определяется точкой пересечения внешней характеристики источника питания и вольт-амперной характеристики 5 дуги.
Равновесие по току и напряжению имеет место в двух точках А и Б. Дуга будет гореть устойчиво в той точке, для которой раз- 379
ность производных уравнений характеристики дуги и источника питания будет положительной. Коэффициент устойчивости
ь _ ( ^Цц^и. п \ л
Если статическая характеристика дуги падающая (< О L то для обеспечения устойчивого горения внешняя характеристика источника питания тока должна быть падающей, причем в точке А она должна иметь большую крутизну, чем статическая характеристика дуги. Физически это можно объяснить следующим образом. Если по какой-либо причине ток в дуге, соответствующий точке А, уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению силы тока, т. е. к возврату в точку А. Наоборот, при случайном увеличении силы тока установившееся напряжение источника питания оказывается меньше напряжения дуги; это приводит к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения дуги. Из аналогичных рассуждений ясно, что в точке Б дуга горит неустойчиво ^рр^и’ п < 0^ . Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока ток не достигает величины, соответствующей точке устойчивого равновесия А или до обрыва дуги. При пологопадающей внешней характеристике (кривая 2) устойчивое горение дуги также происходит в точке А.
При работе на падающем участке вольт-амперной характеристики дуги внешняя характеристика источника в рабочей точке должна быть более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги. При возрастающих характеристиках дуги внешние характеристики источника могут быть жесткими или даже возрастающими. При изменении характеристики дуги (например, кривая 6) или при изменении внешней характеристики источника питания (например, кривая 7, соответствующая другому регулировочному положению источника 7) дуга будет гореть устойчиво при других параметрах тока и напряжения (точки В и Д). Аналогично определяются условия существования дуги при постоянной скорости подачи электрода (точка А, рис. 8-5).
В реальных условиях, особенно при ручной сварке, возможны резкие изменения длины дуги, поэтому она должна обладать достаточным запасом устойчивости (эластичностью). Очевидно, что эластичность дуги тем больше, чем меньше отклонение тока от заданного значения при колебаниях длины дуги. При возрастающей статической характеристике дуги эластичность наибольшая и при падающей — наименьшая. При прочих равных условиях эластичность тем больше, чем больше крутизна падения внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с падающими характеристиками.
Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать дуговой промежуток без чрезмерного увеличения тока.
При автоматической или полуавтоматической сварке плавящимся электродом последний подается в зону сварки со скоростью V, равной скорости его плавления ипл. При случайном уменьшении дугового промежутка (точка В кривой 6 на рис. 8-6) увеличивается ток. Поскольку скорость плавления электрода, в первом приближении, пропорциональна току дуги, то проволока начинает плавиться быстрее. В итоге дуговой промежуток постепенно удлинится и приобретет первоначальную длину. Аналогичный процесс произойдет при случайном удлинении дуги.
Описанное явление называют саморегулированием дуги, так как восстановление исходного режима происходит без воздействия внешнего автоматического регулятора. Это явление проявляется тем значительнее, чем положе внешняя характеристика источника питания (характеристика, соответствующая точке Е на кривой 2) и больше скорость подачи электрода (см. рис. 8-5). Для систем саморегулирования рационально применять источники с пологопадающей или жесткой характеристикой. Однако
напряжение холостого хода таких источников невелико и может быть меньше рабочего напряжения дуги, что затрудняет ее первоначальное возбуждение. В этих случаях желательно применение источников питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части будет жесткой или пологовозрастающей, а напряжение
холостого хода несколько повышенное, как это показано штриховой линией на рис. 8-6.
Сварочная дуга переменного тока предъявляет дополнительные требования к источникам питания в части надежного повторного возбуждения дуги. Для этого напряжение холостого хода источника питания должно быть выше напряжения зажигания. Наиболее простым способом получения непрерывного устойчи
вого дугового разряда является включение в сварочную цепь
ему в момент повторного может резко увеличитьсяему в момент повторного может резко увеличитьсяреактивного сопротивления. Благодаря возбуждения дуги напряжение на дуге (рис. 8-7) до значения напряжения зажигания U3. Кривая Ux x характеризует напряжение источника питания при холостом ходе. При нагрузке в связи с наличием реактивного сопротивления сварочный ток отстает от напряжения на угол ср.
ему в момент повторного может резко увеличиться
ему в момент повторного может резко увеличиться
Если формирование разряда при повторном возбуждении дуги задер-
Рис. 8-7. Изменение напряжения холостого хода источника питания Ux. х тока /д и напряжения дуги (/д во времени-
Рис. 8-8.
Зависимость силы тока и напряжения дуги от времени и отдельные стадии перехода капли с электрода в ванну
^з — время восстановления напряжения после разрушения шейки капли,
/д — средняя величина тока, t/ — напряжение дуги
жалось, т. е. электрическая цепь разорвалась, напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания Ux. х. Благодаря сдвигу фаз это напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения дуги t/3.
Перенос металла в дуге и требования к динамическим свойствам источников питания. Динамические характеристики системы дуга —■ источник питания обусловлены механизмом первоначального возбуждения и в последующем, при горении дуги, — характером переноса электродного металла в сварочную ванну. Капли расплавленного металла периодически замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги (рис. 8-8): происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, далее к рабочему режиму — горению дуги (образование и рост капли) —■ тх, потом к короткому замыканию, которое происходит при контакте между каплей и ванной — т2. При этом ток резко увеличивается до /тах, что приводит к сжатию капли и перегоранию мостика между каплей и электродом. В дальнейшем напряжение почти мгновенно возрастает и дуга вновь возбуждается, после чего процесс периодически повторяется.
Смена режимов происходит в течение долей секунд. Поэтому источник питания должен обладать высокими динамическими свойствами, обеспечивающими достаточно большую скорость повышения напряжения при разрыве цепи и нужную скорость нарастания тока. От динамических свойств источника зависит количество брызг при сварке.
При малой скорости нарастания тока в ванну поступает нерасплавленная проволока. Она сравнительно медленно разогревается на большом участке длины, затем разрушается. Если ток возрастает очень быстро, мостик между ванной и каплей электродного металла быстро перегревается и разрушается со взрывом. Часть расплавленного металла разбрызгивается, не попадая в шов. С увеличением плотности тока уменьшаются размеры капель вплоть до струйного стекания металла в сварочную ванну.
Величину ТоКа, при Kotopoft происходит Этот переход, Для Данной проволоки и среды называют критическим током.
Для управления процессом переноса металла на основной режим сварки иногда накладывают электрические импульсы, параметры которых (ток, напряжение, мощность) изменяются во времени по определенной программе. В этом случае параметры режима выбирают таким образом, что теплота, выделяемая дугой, питаемой от основного источника в промежутке между импульсами, недостаточна для плавления электрода при заданной скорости подачи. Вследствие этого длина дугового промежутка уменьшается. Во время действия импульса тока образуется капля металла и возрастает величина электродинамической силы, сжимающей перешеек капли у проволоки и отбрасывающей каплю строго в направлении оси электрода. Скорость плавления электрода во время импульса больше, чем скорость его подачи, вследствие чего длина дуги восстанавливается.
Условием стабильного течения процесса является равенство скорости подачи и общей скорости плавления электрода за один цикл (импульс + пауза). Поэтому при импульсном источнике питания мелкокапельный перенос получается при меньших плотностях тока, чем для обычного процесса. При этом параметры импульсов, частота которых находится в пределах 90—100 Гц, обеспечивают перенос одной капли за импульс.
Общие сведения об источниках питания и их технологических свойствах. Конструктивные и электрические особенности источников питания описаны в специальной литературе, посвященной электросварочному оборудованию. В настоящей книге изложены лишь общие сведения, необходимые для понимания технологических вопросов сварки плавлением.
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного и постоянного тока. К источникам переменного тока относятся сварочные трансформаторы и генераторы переменного тока. Сварочные генераторы и выпрямители, а также импульсные источники составляют группу источников питания постоянным током. Источники питания могут быть однопостовыми, питающими один сварочный пост, и многопостовыми, питающими одновременно несколько сварочных постов.
Из общего упрощенного уравнения внешней характеристики источника питания
X. X ^Д^эт
где UH — напряжение на клеммах источника при данном токе /д; ^х х — напряжение холостого хода; зэ — эквивалентное сопротивление источника или схемы, следует, что
/д = Vх- x~Upi при Uft = UH = const
или
U„ = U„ „ — Lz. при Д = const.ДЛ. ЛД d 1д
383
Рис. 8-9. Внешние характеристики источников питания при разных способах регулирования параметров режима сварки:
1 — участок вольт-амперной характеристики дуги прн постоянном расстоянии между электродом и изделием;
2 — участок характеристики устойчивой работы прн постоянной скорости подачи электрода
На основе этих уравнений можно осуществлять настройку режима горения дуги. Изменяя напряжение холостого хода Ux. х, можно получить различные характеристики (рис. 8-9, а), соответствующие ряду значений тока / ь /д2, /д3 и т. д. при неизменном напряжении (/д1, либо ряд напряжений (/д1, (/д2, U„3 и т. д. при неизменном токе /д1. Такая система настройки приводит к тому, что приходится либо чрезмерно снижать напряжение холостого хода, соответствующее малым токам, либо излишне его повышать при настройке на большие. Это неудобно в эксплуатации и снижает экономические показатели источника.
Изменяя гэ при неизменном Ux. х, можно получить семейство кривых, показанных на рис. 8-9, б. Такие источники более удобны, но вследствие того, что напряжение холостого хода выбирают исходя из среднего режима работы, устойчивость дуги (особенно переменного тока) при сварке на малых токах будет недостаточной.
Наиболее эффективным является комбинированный плавноступенчатый метод настройки, при котором диапазон регулирования разбивается на две-три ступени настраиваемым изменением Ux. х. В пределах ступени настройку производят за счет изменения гэ (рис. 8-9, в).
Источники питания переменным током. Это специальные виды однофазных и трехфазных трансформаторов, а также электро- машинные генераторы повышенной частоты (400—500 Гц). Существуют два основных принципа построения сварочных трансформаторов: с нормальным магнитным рассеянием и дополнительным индуктивным сопротивлением — дросселем и с искусственно увеличенным магнитным рассеянием.
Трансформаторы первой группы бывают двух основных типов: а) в двухкорпусном исполнении с отдельным дросселем (рис. 8—10, а) между обмотками трансформатора / и дросселя 2 имеется только электрическая связь, а величина сварочного тока
384
8)8)е}е}ж)ж)456789456789Рис. 8-10. Сварочные трансформаторы:1 — основной трансформатор;2 — дроссель;3 — зазор магнитопровода дросселя;Рис. 8-10. Сварочные трансформаторы:1 — основной трансформатор;2 — дроссель;3 — зазор магнитопровода дросселя;— первичная обмотка;— вторичная обмотка;— подвижный магнитный шунт;— охватывающая обмотка; , — неподвижный шунт; < я — обмотка подмагничивания— первичная обмотка;— вторичная обмотка;— подвижный магнитный шунт;— охватывающая обмотка; , — неподвижный шунт; < я — обмотка подмагничивания
8)
8)
е}
е}
ж)
ж)
4
5
6
7
8
9
4
5
6
7
8
9
Рис. 8-10. Сварочные трансформаторы:
1 — основной трансформатор;
2 — дроссель;
3 — зазор магнитопровода дросселя;
Рис. 8-10. Сварочные трансформаторы:
1 — основной трансформатор;
2 — дроссель;
3 — зазор магнитопровода дросселя;
— первичная обмотка;
— вторичная обмотка;
— подвижный магнитный шунт;
— охватывающая обмотка; , — неподвижный шунт; < я — обмотка подмагничивания
— первичная обмотка;
— вторичная обмотка;
— подвижный магнитный шунт;
— охватывающая обмотка; , — неподвижный шунт; < я — обмотка подмагничивания
изменяется путем изменения воздушного зазора 3 в магнитопроводе дросселя; б) в однокорпусном исполнении (рис. 8-10, б) между обмотками трансформатора и дросселя существует как электрическая, так и магнитная связь; трансформаторы этого типа экономичнее и удобнее в эксплуатации.
В трансформаторах второй группы (в однокорпусном исполнении) необходимые внешние характеристики создаются за счет изменения реактивного сопротивления трансформатора. Это достигается за счет принудительного изменения расстояния между первичной 4 (рис. 8-10, в) и вторичной 5 обмотками или за счет изменения величины рассеяния магнитосиловых линий при помощи магнитного подвижного шунта 6 (рис. 8-10, г), вводимого в зазор между удаленными друг от друга обмотками 4 и 5. На рис. 8-10, д показана схема трансформатора, в котором наряду с основными обмотками 4 и 5, размещенными на различных стержнях магнитопровода, имеется дополнительная обмотка 7, охватывающая обе основные обмотки. Включая дополнительную обмотку 7 встречно или согласно основным, изменяют сопротивление трансформатора и его характеристику. Выпускаются транс-
25 Заказ № 782 385
форматоры с шунтом 8 (рис. 8-10, е), магнитное устройство которых регулируется подмагничивающей катушкой 9, а также трансформаторы с магнитной коммутацией потоков (рис. 8-10, ж). В этом случае часть витков вторичной обмотки 5 вынесена в верхнее окно, что позволяет регулировать и наклон характеристик.
В СССР нашли распространение и изготовляются трансформаторы всех описанных типов (табл. 8-1).
Источники питания постоянным током. Сварочные выпрямители. Эти источники состоят из трансформатора и блока вентилей. Иногда в комплект выпрямителя входит также дроссель, включенный в цепь постоянного тока для получения нормального переноса электродного металла в дуге.
Таблица 8-1
Технические данные наиболее распространенных сварочных трансформаторов
Трансформатор
£ 2
Я 2 и< g О Л 5 и °
1
5 g
с; СХ
С я
Я а я
C§g
о gcQ
Д О) dj"
О Я
Я У ®
о О ” X ю я
Ct
5 £ = 1
о”
с §
Ct
о S
S
I. Трансформаторы с отдельным дросселем
СТЭ-24 . .. I — I 65 I 70—5001 — 1 65 I 30 | 0,83 I 0,52 I 230
СТЭ-34 .. I — I 65 | 150—700 | — | 60 | 42 | 0,85 [ 0,52 [ 320
II.
Трансформаторы однокорпусные с подвижным сердечником
СТН-500
500
64
150—700
—
60
38,5
0,85
0,54
270
ТСД-500-1
500
60
200—600
45
80
48,5
0,87
0,55
450
ТСД-1000-4
1000
60
400—1200
42
69 и 78
76,0
0,90
0,62
534
III
Трансформаторы с подвижными обмотками
ТС-300 .
300
60
110—385
30
59,5—
23,5
0,85
0,51
180
62,0
ТС-500 .
500
60
160—650
30
55,5—
37,0
0,86
0,53
245
59,5
ТД-300 .
300
60
60—400
30
61—79
19,4
0,86
0,51
137
ТД-500 .
500
60
85—700
30
60—76
32,0
0,87
0,53
210
IV. Трансформаторы с
подвижным шунтом
СТШ-300
300
60
110—405
30
63
20,5
0,88
0,52
158
СТШ-500
500
60
145—650
30
60
33,0
0,90
0,53
220
СТШ-500/80
500
60
60—800
50
80
44,5
0,92
—
323
V. Трансформаторы с
ярмовым рассеянием
ТСМ-250
250
20
92—250
25
60
16,0
0,69
0,55
33
, VI. Трансформаторы с подмагничиваемым шунтом
ТДФ-1000
1000
100
400—1200
44
68—71
82
0,87
—
740
ТДФ-1600
1600
100
600—1800
60
95—105
182
0,88
—
1000
Рис. 8-11. Электрическая схема трехфазного мостового выпрямителя
В основном применяют многофазные выпрямители. В выпрямителях с пологопадающей характеристикой используют трансформаторы с малым сопротивлением короткого замыкания. Для получения падающей характеристики необходимы трансформаторы с дросселями или с развитым магнитным рассеянием, аналогичные ранее описанным. В современных выпрямителях применяют преимущественно кремниевые вентили, а в ряде случаев селеновые. Селеновые выпрямители обладают большой перегрузочной способностью и необходимы для источников спадающей или жесткой характеристиками.
Кремниевые выпрямители применяют главным образом в источниках с падающими характеристиками. Они отличаются малым размером и, как следствие, очень напряженным тепловым режимом работы.
Схема выпрямителя с трехфазным трансформатором и выпрямительным блоком, собранным по трехфазной мостовой схеме, показана на рис. 8-11. При этой схеме каждый выпрямительный элемент проводит ток в прямом направлении в течение х/3 периода, что исключает резкие пульсации тока. Применяют выпрямители шестифазные, а также выпрямители, в которых внешняя характеристика создается полупроводниковыми приборами. Современные выпрямители часто содержат схемы автоматического регулирования и стабилизации напряжения при наличии внешних возмущений (табл. 8-2).
Сварочные генераторы. Это специальные виды электрических машин постоянного тока. Заданные внешние характеристики могут быть получены различными путями.
Применением генератора постоянного тока с жесткой характеристикой и последовательным включением в сварочную цепь балластных сопротивлений. Такая схема используется в многопостовых генераторах.
Применением генераторов с магнитным потоком, изменяющимся в зависимости от изменения величины сварочного тока. Эти генераторы могут быть разделены на три основные группы: а) с обмоткой независимого возбуждения и размагничивающей последовательной обмоткой; ампер-витки последней направлены встречно ампер-виткам обмотки независимого возбуждения; б) с самовозбуждением; ампер-витки параллельной намагничивающей и последовательной размагничивающей обмоток направлены встречно; в) с самовозбуждением; генераторы имеют намагничи- 25*387
Таблица 8-2
Технические данные наиболее распространенных сварочных выпрямителей
Выпрямитель
ч 2
|S« s О Я S ° ° з§£
Is
X те ч а
go
2 • ч
Ч те<
5 О та с§8
те к 51
К 5 я ® я
S а *
°£|
fe®” _ к 5 ® я К Йо S 2s о. Счс
8 . 0> 2 я ? я g
*о ао С и X ч
с
5
ч
X я
Выпрямители с падающей внешней характеристикой(для ручной сварки)
ВД-101. . .
125
60
20—125
25
—
—
0,60
170
1
ВСС-120-А . .
120
65
15—130
25
—
63
0,68
180
1
ВСС-300-3 . .
300
65
40—320
30
—
65
0,66
240
1
В Д-301. . .
300
60
45—300
32
—
65—68
0,70
230
1
Выпрямители с пологопадающей внешней характеристикойдля полуавтоматической и автоматической сварки
ВС-300 . . . .
270
100
30—300
30
20—40
0,715
250
1
ИПП-300 . . .
300
65
50—300
—
16—40
40
0,75
255
I
ВДГ-301 . . .
300
60
40—300
30
15—32
—
0,72
210
1
ВС-600 . . . .
500
60
100—500
16—41
16—41
21—53
0,75
350
1
ВС-1000 . . .
1000
60
■—
17—48
17—48
28—63
0,78
600
1
ВС-1000-2 . . .
1000
60
—
20—68
20—65
38—85
0,78
650
1
В КС-500-1
500
60
90—500
40
—
78
0,75
385
1
III. Выпрямители универсальные
с падающей и пологопадающей х
ВСУ-500 *^605°”36°30
ВГУ 500..50060100_55040
30
В ДУ-504 *..50060100—500
аракте
)ИСТИКс
67
1МИ
4401
0,67
0,82 4001
20—40
24—45
49—68
18—50
IV. Выпрямители с жесткой характеристикой, многопостовые
В КСМ-1000-1 .
1000
100
До 6 постов по 300 А
60
70
0,88
550
6
ВДМ-1601 . .
1600
100
До 9 постов по 300 А
60
—
68
0,88
750
9
В ДМ-3001 . .
3000
100
До 18 постов по 300 А
60
—
68
0,88
1750
18
ВМГ-5000 . . .
5000
100
До 30 постов по 300 А
60
30—60
68
0,94
2700
30
* Значения, приведенные в числителе, относятся к падающей характеристике в знаменателе — к жесткой.
Рис. 8-12.Схема сварочного генератора с падающей характеристикойРис. 8-12.Схема сварочного генератора с падающей характеристикойРис. 8-13.Электрическая схема универсального сварочного генератораРис. 8-13.Электрическая схема универсального сварочного генератора
Рис. 8-12.
Схема сварочного генератора с падающей характеристикой
Рис. 8-12.
Схема сварочного генератора с падающей характеристикой
Рис. 8-13.
Электрическая схема универсального сварочного генератора
Рис. 8-13.
Электрическая схема универсального сварочного генератора
вающую обмотку возбуждения и используют размагничивающее действие реакции якоря.
В СССР выпускаются генераторы с самовозбуждением, схема которых показана на рис. 8-12. Намагничивающая обмотка питается от третьей, дополнительной щетки с. Благодаря поперечной реакции якоря напряжение между третьей и основной щетками мало зависит от тока нагрузки. Режим сварки регулируют при помощи реостата Р в.цепи намагничивающей обмотки возбуждения НО, который определяет напряжение холостого хода генератора. При коротком замыкании напряжение дуги равно нулю, а электродвижущая сила генератора падает до величины, уравновешивающей падение напряжения в сопротивлении сварочной цепи. Для расширения пределов регулирования от размагничивающей обмотки РО сделан дополнительный вывод.
Однопостовые генераторы для питания установок полуавтоматической или автоматической сварки должны иметь пологопадающую или жесткую характеристику. Для получения широкого диапазона регулирования они имеют независимое питание обмотки возбуждения.
Универсальный сварочный генератор позволяет получать внешние характеристики различной формы (падающей или жесткой) и регулировать динамические свойства (рис. 8-13). Включая последовательную обмотку СО встречно или согласно и изменяя число витков в обмотке, можно получить жесткую или падающую характеристику. Соответствующие динамические свойства генератора достигаются включением витков регулируемого дросселя Д.
По типу привода вращающиеся источники питания разделяются на преобразователи, снабженные электродвигателями, и на агрегаты, снабженные дизельными или бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (табл. 8-3).
389
Таблица 8-3
Технические данные наиболее распространенных сварочных преобразователей и агрегатов
Источник питания
О
S
°
а?
5 = И
11
3
§ 1 =
Хар
сх СИ ’ S
3 s S ч ?
« о X
С § с
ct
с X а § 1- ио^
У = х
< а Н
I Преобразователи с падающей (для ручной
внешней характеристикой сварки)
ПСО 120
120
65
30—120
25
—
0,46
4
155
ПСО-300 1
300
65
65—340
30
0,58
7,5
400
ПСО 300-3
300
65
75—320
30
—
0,52
14
400
ПС 500
500
65
120—500
40
—
0,55
28
940
ПСО 500
500
65
140—500
40
—
0,54
28
780
II Преобразователи с
пологопадающей внешней
характеристикой
(для полуавтоматической и
автоматической сварки)
ПСГ 500
500
65
50—500
35
15—40
0,65
28
500
ПСУ 500
500
60
60—500
40
16—40
0,59
30
545
III Агрегаты с падающими характеристиками
с бензиновыми двигателями
АСБ 300 2
300
65
65—340
30
-
-
850
АСБ 300 4
300
65
75—320
30
—
800
IV Агрегаты с падающими характеристиками
с дизельными двигателями
АСД 3-1
500
65
120—600
40
—
60 л с
—
А ДСП-500
500
60
120—500
40
—
60 л с
—
Источники питания импульсной дуги (рис 8-14) Такие источники содержат генератор постоянного тока ГПТ, генератор импульсов Г И и блок управления БУ. Генератор импульсов может быть построен по принципу накопления энергии в конденсаторах, которая в дальнейшем по команде блока управления расходуется в виде кратковременных импульсов Величину и длительность импульса можно настраивать путем изменения емкости батареи конденсаторов либо путем выделения определенных отрезков синусоиды тока Генераторы импульсов рассчитывают обычно на частоту, кратную частоте сети (50, 100 Гц) В качестве ГПТ могут быть использованы выпрямители или вращающиеся преобразователи В последнем случае последовательно в цепь якоря генератора включают полупроводниковый вентиль, предупреждающий шунтирование дуги якорем.
Области применения источников питания различных типов (табл 8-4) При выборе источника питания нет оснований отдавать предпочтение какой-либо из схем генераторов, трансформаторов или выпрямителей. Эксплуатационные их свойства зависят
390
Рис. 8-14. Блок схема источника питанияРис. 8-14. Блок схема источника питанияt — время цикла, БУ — блок управления ГИ — генератор импульсов, ГПГ — генератор постоянного тока,t — время цикла, БУ — блок управления ГИ — генератор импульсов, ГПГ — генератор постоянного тока,
Рис. 8-14. Блок схема источника питания
Рис. 8-14. Блок схема источника питания
t — время цикла, БУ — блок управления ГИ — генератор импульсов, ГПГ — генератор постоянного тока,
t — время цикла, БУ — блок управления ГИ — генератор импульсов, ГПГ — генератор постоянного тока,
импульсной дугой
/и — ток импульса,
/п — ток в паузе между импульсами, / — ток дуги
Таблица 8-4
Области применения источников питания
Род тока
Источник питания
Внешняя характери стика
Область применения
Переменный
Трансформаторы пере менного тока промышленной частоты
Падающая
Ручная сварка, сварка в защитных газах алюминиевых сплавов
Пологопадающая
Сварка под флюсом на токах более 300 А
Электромашинные пре образователи и агре гаты с генераторами повышенной частоты (400—500 Гц)
Падающая
Ручная сварка тонкого металла (применение ограничено)
Постоянный
Электромашинные пре образователи, агрегаты с двигателями внутреннего сгорания, выпрямители
Падающая
Ручная сварка, сварка под флюсом, сварка в защитных газах не- плавящимся электродом
Полого падающая
Сварка под флюсом, сварка в защитных газах плавящимся э чектро- дом
Жесткая
Сварка в защитных газах плавящимся электро дом (тонкой проволокой)
В основном от правильности расчета и конструирования и от качества изготовления.
Сварочные трансформаторы — наиболее экономичные и дешевые источники питания. Однако они чувствительны к колебаниям напряжения сети. Кроме того, переменный ток применим далеко не для всех способов сварки.
Наиболее перспективны выпрямители, характеризующиеся высокими к. п. д. и cos ф, бесшумностью работы. Они экономичны, так как могут выключаться во время пауз в работе. Как правило, у выпрямителей мощность холостого хода меньше, чем у преобразователей. Однако выпрямители чувствительны к климатическим условиям и колебаниям напряжения сети, хотя уже имеются выпрямители, снабженные устройствами, обеспечивающими постоянство напряжения дуги при колебании параметров сети.
Генераторы постоянного тока эффективны при использовании в монтажных условиях, особенно в комплекте передвижных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания.
§ 8-2. Аппаратура для автоматической сварки плавящимся электродом
Сварочным аппаратом называют комплекс механизмов и электрических приборов, необходимых для механизации процесса выполнения сварного соединения. На рис. 8-15 показан один из таких аппаратов. Он состоит из сварочной головки 1, ходового механизма 2, системы 3 для подачи флюса и отсоса его нерасплавляющейся части, механизма 14 перемещения головки
по вертикали и катушки 5.
Основным узлом аппарата является сварочная головка. Она содержит приводной механизм 6 с двигателем 7 и системой роликов, токоподводящий мундштук 15 с устройствами 12 для защиты дуги флюсом или газом. Проволока, зажатая между подающим 8 и прижимным 9 роликами, сматывается с катушки 5 и проталкивается в зону сварки через правильный механизм 11 и токоподводящий мундштук 15. Для корректировки положения электрода относительно стыка служат по-
Рис. 8-15. Аппарат А-1401 для автоматической сварки под флюсом
Рис. 8-16. Установка для автоматической сварки кольцевых швов сварочным трактором ТС-17-Р
перечный 13, вертикальный и другие корректоры. Для направления электрода по стыку служит световой указатель 10.
Аппараты, содержащие кроме сварочной головки механизм движения по рельсовому пути 4, расположенному вдоль свариваемых кромок, принято называть самоходными. Самоходные аппараты, которые в процессе сварки движутся непосредственно по свариваемому изделию, копируя его, называют сварочными тракторами (рис. 8-16).
Существует множество универсальных и специализированных аппаратов для дуговой сварки. Независимо от назначения они содержат в той или иной компоновке все или некоторые из перечисленных выше элементов и устройств. Ниже рассмотрены принцип их действия и характерные особенности.
Сварочная головка. Основные функции сварочной головки — подача в зону дуги электродной проволоки и подвод к ней сварочного напряжения, поддержание в процессе сварки неизменными силы тока и напряжения дуги или изменение их по заданной программе. Кроме того, сварочная головка обеспечивает возможность настройки указанных параметров режима. Рассмотрим основные механизмы сварочных головок.
Механизм подачи электрода — основной узел сварочной головки — состоит, как правило, из системы подающих проволоку роликов и привода. Один из роликов 8 (см. рис. 8-15), связанный с выходным валом привода, является ведущим, другой 9, прижимающий под действием пружины проволоку к ролику 8, — прижимным.
Современные механизмы подачи содержат два или несколько Подающих роликов различной конструкции и в различных соче- 3?3
Рис. 8-17. Роликовые устройства для подави проволоки и типы подающих роликов
В — ролик ведущий
П — ролик прижимной,
ЦК — ролик цилиндрический, с насечкой
КГ — гладкий ролик с канавкой
КН — ролик с насеченное канавкой,
КШ — ролик с канавкой шестеренчатый,
ЦР — ролик цилиндрический обрезиненный
таниях (рис. 8-17). Усилие подачи Qn этих механизмов зависит от мощности привода, сжимающего усилия Рп, материала трущихся тел, шероховатости поверхности и конструкции фрикционного сочленения. Как правило, применяют одну пару подающих роликов А, в которых один — ведущий, второй — холостой или ведущий. Такая система обеспечивает достаточное усилие подачи стальной сплошной проволоки при сравнительно небольшом расстоянии между подающим устройством и зоной сварки. Обычно используют ролики КГ с гладкой канавкой, позволяющие получить усилие подачи до 30—60 кгс. Если нужны большие усилия подачи, то применяются ролики КН, канавка которых снабжена насечкой, или КШ, представляющие собой шестерни, в зубьях которых прорезана канавка. Насечка обеспечивает надежную подачу, но при этом увеличивается износ мундштуков от заусенцев на проволоке.
Для проволок диаметром менее 1,2—1,6 мм предпочтительны цилиндрические ролики ЦН с насечкой. Порошковые проволоки вследствие их малой радиальной устойчивости и большого сопротивления проталкивания не допускают больших усилий сжатия Рп. Они требуют применения механизмов Б с двумя парами роликов или механизмов С с большим углом обхвата. Лучше всего
394
применять в них ролики КШ, препятствующие раскрыванию замка оболочки проволоки и, следовательно, просыпанию порошка.
Привод системы подачи проволоки наряду с источником питания определяет параметры режима сварки. По числу регулируемых величин (напряжение и ток дуги) и регулирующих воздействий (скорость подачи электрода, напряжение или э. д с. источника питания и сопротивление сварочной цепи) системы регулирования параметров режима могут быть разбиты на три группы:
системы, основанные на свойстве саморегулирования дуги; они применяются в головках, осуществляющих подачу проволоки с постоянной скоростью, независимой от напряжения дуги;
системы регулирования одного параметра (Пд или /св) путем воздействия на одну из трех указанных выше величин Наибольшее распространение из этих систем получил автоматический регулятор напряжения дуги, воздействующий на скорость подачи электрода;
системы регулирования двух параметров (£/ и /св) путем одновременного воздействия на эти величины
При выборе рациональной системы регулирования необходимо исходить из условий обеспечения требуемой геометрии шва и отсутствия в нем дефектов. Из различных схем наиболее удобно пользоваться статическими характеристиками регуляторов и источников питания. В случае возникновения возмущений в дуге и в сварочном аппарате связь между напряжением и током дуги выражается уравнением номинальной внешней характеристики источника питания (см рис 8-5). Росту напряжения дуги соответствует уменьшение силы тока и наоборот.
На рис. 8-5 режим сварки определяется точкой А пересечения кривой 1 и внешней характеристикой 3 источника питания. Если в процессе работы в результате внешних возмущений дуга удлинилась и горит в точке В, то новому режиму должна соответствовать меньшая скорость плавления электрода ип2, в результате чего при постоянной скорости подачи дуговой промежуток сокращается и восстанавливается режим, соответствующий точке А.
И другие системы регулирования, перечисленные выше, отрабатывают эти возмущения, восстанавливая прежний режим сварки с заданной точностью. Сложнее обстоит дело при отработке системами регулирования возмущений в источнике питания, приводящих к изменению его внешних характеристик. Изменения напряжения сети при сварке на переменном токе, а в ряде случаев и постоянном приводят к смещению внешних характеристик (кривые 4 и 5). Увеличение или уменьшение напряжения сети приводит к изменениям напряжения и силы тока дуги.
Восстановить заданный режим сварки при автоматическом регулировании напряжения или тока дуги только путем воздействия на скорость подачи электродной проволоки нельзя. Новые режимы сварки будут характеризоваться координатами точек, находящихся в заштрихованной на рис. 8-5 площади Режимы
сварки, соответствующий Системам саморегулиройанйй Дуги, определяются точками Г и Д на кривых 4 и 5. Таким образом, системы саморегулирования по своим свойствам сходны с системами автоматического регулирования тока дуги. Изменения сопротивления сварочной цепи также приводят к соответствующим изменениям внешних характеристик. Здесь остаются справедливыми приведенные выше рассуждения.
Таким образом, можно сделать вывод о нецелесообразности применения систем автоматического регулирования тока дуги, так как в них нельзя согласовать регулирующие воздействия для отработки различных возмущений (см. рис. 8-5), что резко ухудшает динамические свойства таких систем. По этим же причинам нецелесообразно применять обычные системы автоматического регулирования двух параметров — напряжения и тока дуги.
Рассмотренные возмущения могут быть вполне удовлетворительно отработаны системами автоматического регулирования напряжения дуги путем воздействия на сопротивление сварочной цепи. Однако при падении напряжения в сети значительно ухудшаются условия повторных возбуждений дуги вследствие уменьшения напряжения холостого хода сварочной цепи.
Наиболее целесообразна и экономична система автоматического регулирования напряжения дуги путем воздействия на напряжение сварочной цепи. Необходимая величина тока дуги в таких системах задается скоростью подачи электродной проволоки. Эти системы обеспечивают неизменные условия повторных возбуждений дуги, так как напряжение холостого хода не падает ниже заданной величины. При достаточно высоких динамических свойствах автоматического регулятора напряжения дуги такая система одинаково хорошо отрабатывает все возможные возмущения во всем диапазоне режимов сварки.
Экспериментальные и расчетные данные и длительный производственный опыт эксплуатации сварочных аппаратов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, использующих саморегулирование дуги, показали, что существуют предельные значения тока, ниже которых процессы установления заданного режима сварки за счет саморегулирования дуги при его случай-
18Л80018Л800/ 2 3 О 5 6 мм/ 2 3 О 5 6 ммных изменениях недопустимо затягиваются (кривая Л на рис. 8-18), и предельные
18Л
800
18Л
800
/ 2 3 О 5 6 мм
/ 2 3 О 5 6 мм
значения токов, ниже которых устойчивость горения дуги становится недоста
точной для получения качественных свар
ных соединений (кривая Б). Приведен
ные кривые соответствуют сварке под флюсами марок АН-348-А и ОСЦ-45 на переменном токе.
Рис. 8-18. Кривые зависимости силы тока дуги от диаметра проволоки
396
Рис. 8-19. Электрокинематическая схема сварочной головки с асинхронным электродвигателем:
— ролик прижимной;
— ролик подающий,
, 4 — червячные шестерни;
5 — сменные шестерни;
Д — электродвигатель подачи электродной проволоки
Значения тока, лежащие выше кривой А, обеспечивают хорошие результаты при сварке аппаратами с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Для значений токов, находящихся ниже кривой Б, устойчивый процесс сварки под флюсом на переменном токе вообще невозможен. При питании дуги постоянным током кривая Б несколько опускается, т. е. саморегулирование происходит устойчиво для более низких значений тока. Заштрихованное между кривыми А и Б пространство соответствует тем значениям токов, при которых нельзя получить устойчивый процесс сварки при постоянной скорости подачи электродной проволоки.
Из приведенных данных видно, что при сварке под флюсом на переменном токе электродами диаметром 3 мм и менее аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки могут работать при всех применяемых на практике значениях тока. Следовательно, для сварки электродной проволокой диаметром 1—3 мм целесообразно применять только сварочные аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки. При сварке электродными проволоками диаметром 4—6 мм и выше следует вводить определенные
ограничения при выборе режимов сварки. Заштрихованная область (см. рис. 8-18) соответствует тем редко встречающимся в производственных условиях случаям, когда при сварке электродной проволокой диаметром более 3 мм необходимо применять автоматические регуляторы напряжений сварочной дуги.
Аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки отличаются простотой и надежностью. Настройка скорости подачи производится или ступенчато (сменные шестерни или ролики, коробка скоростей), или плавно (механические вариаторы, двигатели постоянного тока).
На рис. 8-19 показана электрокинематическая схема простейшей головки со сменными шестернями. Изменяя соотношение числа зубьев сменных шестерен 5, можно получить требуемую скорость подачи проволоки. Электрическая схема содержит понижающий трансформатор ТП, переключатель ПП и кнопочный блок К с промежуточными реле Р. Кнопками осуществляют настроечное перемещение проволоки, пуск и остановку процесса. Более совершенные головки имеют контактор, отключающий источник питания во время пауз, устройства для возбуждения дуги и для заварки кратера.
Головки со сменными шестернями применяют в серийном и массовом производстве, где режим перестраивается относительно редко и где решающее значение имеют стабильность режима, простота и надежность оборудования. В единичном производстве, где часто необходимо изменять режим, применяют коробки скоростей или вариаторы (механические или электрические). В схеме механизма с коробкой скоростей (рис. 8-20, а) переключение скоростей достигается при помощи двух выдвижных (скользящих) шпонок 1, включающих под действием пружины 2 различные
Схема расположения фрикционных деталей бесступенчатой передачиСхема расположения фрикционных деталей бесступенчатой передачиЭлектр одна а продолокаЭлектр одна а продолокаРис. 8-20. АГеханические системы настройки скорости подачи электродной проРис. 8-20. АГеханические системы настройки скорости подачи электродной проволокиволоки1 — шпонки выдвижные,2 — пружина3 — штанга,4 — шестерня с фиксатором,5 — асинхронные двигатели,6 — ведущее звено,1 — шпонки выдвижные,2 — пружина3 — штанга,4 — шестерня с фиксатором,5 — асинхронные двигатели,6 — ведущее звено,7 — ведомое звено8 — поворотный ролик7 — ведомое звено8 — поворотный ролик9 10 - звенья понижающего редуктора:
Схема расположения фрикционных деталей бесступенчатой передачи
Схема расположения фрикционных деталей бесступенчатой передачи
Электр одна а продолока
Электр одна а продолока
Рис. 8-20. АГеханические системы настройки скорости подачи электродной про
Рис. 8-20. АГеханические системы настройки скорости подачи электродной про
волоки
волоки
1 — шпонки выдвижные,
2 — пружина
3 — штанга,
4 — шестерня с фиксатором,
5 — асинхронные двигатели,
6 — ведущее звено,
1 — шпонки выдвижные,
2 — пружина
3 — штанга,
4 — шестерня с фиксатором,
5 — асинхронные двигатели,
6 — ведущее звено,
7 — ведомое звено
8 — поворотный ролик
7 — ведомое звено
8 — поворотный ролик
— ро-тик подающий
— ролик прижимной
Рис. 8-21. Электрические системы настройки скорости подачи электродной проволокиРис. 8-21. Электрические системы настройки скорости подачи электродной проволоки
Рис. 8-21. Электрические системы настройки скорости подачи электродной проволоки
Рис. 8-21. Электрические системы настройки скорости подачи электродной проволоки
шестерни в кинематической цепи. Шпонки совместно со штангами 3 с кольцевыми рейками перемещаются при помощи ведущих шестерен 4 Такие механизмы нашли ограниченное применение вследствие сравнительно большой массы и размеров. Вариаторы (рис. 8-20, 6) сложны в эксплуатации, так как фрикционные элементы быстро изнашиваются, нестабилен их коэффициент трения, они чувствительны к загрязнениям.
Наиболее удобны головки с электродвигателями переменного тока. Однако привод головок, основанных на явлении саморегу
лирования, должен иметь достаточно жесткие механические характеристики Поэтому малопригодны системы, где частота
вращения электродвигателя регулируется за счет изменения силы тока в обмотке якоря или в обмотке возбуждения. Кроме того, последняя схема имеет малый диапазон регулирования. Широкое распространение получила схема (рис. 8-21, а) питания электродвигателя Я от регулируемого источника переменного тока (автотрансформатора АТ или секционированного трансформатора) через выпрямительные блоки ВЯ и ВВ.
Достаточно большой диапазон регулирования дает привод (рис. 8-21,6), работающий по схеме генератор — электродвигатель Я, отличающийся, однако, громоздкостью и высокой стоимостью. На рис 8-21, в показан привод с магнитным усилителем Такой привод имеет диапазон регулирования 1 : 10 и жесткость механических характеристик в среднем до 20% при изменении
нагрузки на валу электродвигателя от 0 до 100% от номинальной.
Блок-схема регулятора напряжения дуги (рис. 8-22) состоит
Рис. 8-22. Блок схема регулятора напряжения дуги
Рис. 8-23. Схема регулятора напряжения дуги в сварочной головке АДС-1000-2:
/ — прижимной ролик;
2 — подающий ролик
из устройства СУ, сравнивающего напряжение дуги П^ с эталонным напряжением U0 и усилителя У, передающего разность напряжений Uo— U на привод Д механизма подачи. Таким образом, скорость подачи является функцией напряжения дуги. Если на рабочем участке характеристики значение велико, то регулятор поддерживает заданное напряжение с высокой точностью.
Известно большое количество различных конструкций регуляторов напряжения дуги, поддерживающих заданное напряжение соответствующим воздействием на скорость подачи электродной проволоки. Наибольшее распространение получили регуляторы непрерывного действия. В качестве примера на рис. 8-23 приведена схема регулятора сварочной головки аппарата АДС-1000-2. Якорь ДГ электродвигателя подачи проволоки питается от генератора ГГ, в котором имеются три обмотки возбуждения ГП, ГГ2 и ГГЗ. Первая обмотка питается от независимого источника через потенциометр. Обмотка ГГ2 включена параллельно сварочной дуге. Магнитные потоки обмотки ГП и ГГ2 направлены встречно. При нормальном напряжении дуги поток обмотки ГГ2 преобладает над потоком обмотки ГП и электродвигатель вращается в направлении подачи проволоки к изделию. Понижение напряжения дуги вызывает уменьшение скорости подачи вплоть до остановки электродвигателя. Дальнейшее понижение напряжения дуги приводит к реверсированию электродвигателя ДГ. Последовательная обмотка ГГЗ служит для повышения вращающего момента электродвигателя при увеличении нагрузки на его валу.
Токоподводящие мундштуки предназначены для направления электрода в сварочную ванну и для подвода к нему тока. Мундштуки бывают роликовыми, колодочными, втульчатыми и Сапожковыми. Роликовый мундштук (рис. 8-24, а) имеет два или три контакта 1, укрепленных на токоведущем корпусе 2. Для надежного токоподвода один из контактов прижат пружиной 3. Колодочный мундштук (рис. 8-24, б) состоит из двух контактных колодок 4 и 5 со вставками 6. Колодка 5 может перемещаться на штыре 7 под действием пружины 8. Ток подводится к неподвижной колодке 4. Принцип действия сапожкового мундштука ясен из рис. 8-24, в.
Рис. 8-24. Токоподводящие мундштуки
Перечисленные мундштуки применяют при сварке проволокой диаметром 3—6 мм. Для тонкой проволоки (1,6—-2,5 мм) используют трубчатые мундштуки (рис. 8-24, а). Они представляют собой прямую или изогнутую направляющую или трубку 9, на конец которой при помощи накидной гайки 10 прикреплен эксцентрически расположенный наконечник 11. В этом случае контакт обеспечивается за счет упругих сил в изогнутой проволоке.
При износе контактирующих деталей вследствие трения, электроэрозии и подгорания нарушается точность направления электрода в зону сварки и ухудшается токоподвод. Износ компенсируется поворотом контактирующих деталей 1 или 11 при замене деталей б, 12 или 13.
Правильные механизмы предназначены для увеличения точности направления электрода. Необходимость в правке вызвана тем, что поставляемая в бухтах проволока имеет собственную кривизну, а иногда и местные прогибы, причем кривизна в пределах одного мотка переменна. Для правки электрод пропускают через систему свободно вращающихся роликов, расположенных таким образом (см. рис. 8-15), что проволока, проходя между ними, изгибается, приобретая стабильную кривизну. В дальнейшем, перегибая проволоку в обратную сторону с заданной стрелой прогиба, ее выпрямляют.
Приспособления для защиты зоны сварки от соприкосновения с воздухом закреплены, как правило, на мундштуке, образуя единый узел. На рис. 8-24, а показано приспособление для сварки под флюсом, где последний подается через воронку 14, располо- 26 Заказ Ns 732401
щитных устройств обусловленащитных устройств обусловлена225566fl)fl)
щитных устройств обусловлена
щитных устройств обусловлена
2
2
5
5
6
6
fl)
fl)
Рис. 8-25.
Газовая струя при сварке в защитной газовой среде:
а — соосно оси электрода, б — под углом к оси электрода;
— сопло,
— мундштук,
— ламинарный поток
— турбулентный поток,
— зона завихрения
— смесь газа с воздухом,
— отражатель
женную концентрично электроду. Флюс может также подаваться по отдельной трубке, расположенной впереди мундштука.
Эффективность газоза- характером истечения газовой
струи из сопла, жесткостью струи и величиной сварочного тока. Турбулентный поток газа приводит к подсосу воздуха и, следовательно, к загрязнению металла шва. Поэтому конструкция
сварочной горелки должна обеспечить получение ламинарного потока газа или турбулентного потока, окруженного ламинарным слоем. Последний возникает в результате трения газа о стенки сопла. Толщина ламинарного слоя зависит от конфигурации сопла, от соотношения длины его цилиндрической части / (рис. 8-25) к диаметру d и от характера ввода газа в камеру сопла. Достаточная толщина ламинарного потока обеспечивается в цилиндрическом сопле при отношении lid > 1. При этом лучше всего, если газ поступает в камеру сопла через
рассекатель, отверстия которого направлены перпендикулярно стенкам сопла, или если камера сопла снабжена отражателем.
При выходе из сопла толщина ламинарного потока постепенно снижается из-за наличия в окружающем воздухе факторов, разрушающих газовый поток. Это более ощутимо при малом расходе газа, когда поток нежесткий. Увеличение расхода газа приводит к ужесточению потока. При излишнем расходе газа происходит его завихрение.
Эффективным средством создания ламинарного потока является применение газопроницаемых сеток — газовых линз, представляющих собой набор из нескольких сеток с мелкими отверстиями (60—900 отверстий на 1 см2). Сопла могут иметь естественное воздушное или принудительное газовое или водяное охлаждение.
Ходовой механизм. Механизм предназначен для перемещения дуги относительно свариваемого стыка по траектории, необходимой для получения швов заданной конфигурации, со скоростью, равной скорости сварки. Передвижение дуги можно выполнять
двумя способами: при неподвижном изделии и при неподвижном сварочном аппарате. Наиболее универсальной при сварке продольных швов является первая схема, при сварке кольцевых — вторая.
Сварочный аппарат может перемещаться по рельсовому пути, расположенному параллельно свариваемым кромкам и повторяющим, по возможности, их конфигурацию (см. рис. 8-15), либо непосредственно по изделию (см. рис. 8-16). Ходовые механизмы указанных аппаратов представляют собой тележки, мощность привода которых расходуется на преодоление сопротивлений движению собственно аппарата, кабелей и шлангов. В ряде случаев тележка кроме рабочей скорости может передвигаться со скоростью маршевой для сокращения времени холостых пробегов.
Сварочные головки закреплены на ходовом механизме при помощи системы суппортов, позволяющих корректировать положение электрода относительно стыка. Корректировочные системы могут быть предназначены для слежения по стыку и для перемещения электрода по запрограммированной траектории. При слежении за стыком возможны отклонения поперек шва и по вертикали (совместно с мундштуком). Эти отклонения возникают вследствие некоторой неизбежной непараллельности между швом и рельсом, вследствие непрямолинейности в определенных пределах шва и рельса и вследствие неточности сборки изделия.
Отклонение электрода поперек шва приводит к искажению формы шва или к непровару одной из кромок. При сварке угловых швов «в лодочку» и особенно наклонным электродом это может привести также к подрезам и наплывам. В связи с этим сварочный аппарат должен быть снабжен механизмом, отрабатывающим указанные неточности. Следует учесть, что существующие системы обеспечивают только соблюдение траектории мундштука вдоль стыка. Дуга же вследствие износа мундштука, некачественной правки электрода или наличия магнитного дутья может иметь иную траекторию движения, отличную от траектории мундштука.
Ручное направление электрода по шву осуществляется при помощи механических 13 (см. рис. 8-15) или электрических корректоров. При сварке под флюсом для наблюдения за положением электрода применяют механический или световой указатели. Первый 15 (см. рис. 8-24) закреплен при помощи изоляционных прокладок на воронке 14 мундштука таким образом, что его положение можно регулировать. Так как механический указатель находится на определенном расстоянии от шва, при корректировке в зависимости от угла зрения допускаются определенные погрешности. Световой указатель 10 (см. рис. 8-15) содержит осветитель и систему линз, проектирующую узкий световой пучок в виде точки или короткой линии на поверхность изделия. Это снижает погрешность наблюдения, 'однако световой указатель неприменим при интенсивном освещении зоны сварки.
Рис. 8-26. Механические роликовые копиры
Для ручной корректировки используют такие средства наблюдения за дугой, как промышленное телевидение и т. п. Ручные корректоры обеспечивают точность направления электрода в пределах ±1,5—-2,5 мм в зависимости от расстояния между указателем и электродом, от скорости сварки и тренированности сварщика. Практикой доказано, что ручная корректировка эффективна при скорости сварки ниже 60—80 м/ч. При больших скоростях сварщик не всегда успевает среагировать на отклонение траектории шва.
Механические копирующие системы представляют собой регуляторы прямого действия, где рабочий орган (мундштук /) (рис. 8-26, а) жестко связан с механическим копирующим элементом 2 в виде ролика или костыля, перемещающихся по свариваемым кромкам или по копиру и повторяющих конфигурацию шва. Мундштук или головка имеют по крайней мере одну степень свободы (вокруг оси 4) для перемещения поперек шва совместно с копиром. Системы такого типа отличаются простотой и надежностью, но они могут быть использованы только для сварки тех соединений, где имеется гарантированный зазор между кромками или другая база для механического копирования (угол, нахлестка и т. п.). Кроме того, вследствие расположения копира на определенном расстоянии I от электрода возникает погрешность слежения А/, которая тем больше, чем больше расстояние I и чем больше отклонение а между линией направления движения ходового механизма и линией шва.
Частично этот недостаток может быть устранен за счет применения самоустанавливающихся копиров с двумя-тремя роли- 404
ками 2, 3 и 6 (рис. 8-26, б), которые могут поворачиваться вокруг оси мундштука 1 на рычаге 5, образуя всегда с мундштуком прямую линию. Это исключает погрешность слежения А/. Наличие трех роликов позволяет сохранить прямую линию при прохождении копира через сборочные прихватки.
Механические копиры весьма эффективны в аппаратах тракторного типа, так как копирующим элементом в этом случае является весь сварочный аппарат. На рис. 8-27 показаны различные настройки широко распространенного трактора ТС-17-Р. При настройке а ходовая тележка трактора опирается на четыре колеса. В настройке б передние колеса заменены двумя клиновидными роликами, размещенными в зазоре между кромками и прижатыми к изделию весом трактора. При сварке угловых швов точное направление электрода может быть достигнуто при условии копирования обеих деталей, образующих угол. При сварке «в лодочку» это достигается заменой одного из передних колес копирным роликом и установкой на уровне задних колес бокового упорного ролика (настройка в). При сварке наклонным электродом (настройка а) прижим трактора к вертикальной стенке достигается вследствие некоторого перекоса ходового механизма в сторону направления сварки. Трактор как бы наезжает на вертикальную стенку, прижимаясь к ней, и движется с некоторой горизонтальной пробуксовкой роликов.
Перечисленные системы непригодны для сварки швов, представляющих собой ломаную линию или линию переменной кривизны. В некоторых случаях такие швы могут быть сварены при помощи механических шаблонов, повторяющих конфигурацию шва (рис. 8-26, в).
Следящие системы косвенного действия (бесконтактные) применяют в тех случаях, когда невозможно использовать механические копиры (стыковые швы без зазора и разделки кромок, швы непрямолинейные и др.). Как правило, такие системы содержат датчик Д (рис. 8-28), регистрирующий отклонение шва 1, усилитель-преобразователь УП, перерабатывающий информацию, исполнительный механизм ИМ, воздействующий на положение мундштука М. При компоновке а, когда датчик установлен впереди мундштука, система обладает рядом недостатков, свойственных механическим копирам.
Более точное копирование достигается при компоновке б по так называемой опорной линии 2 или установленному шаблону. Опорной линией может служить риска, нанесенная параллельно кромкам одновременно с обработкой последней, линия, проведенная краской (или окраска кромок), наклейка цветной полосы и др. Однако нанесение опорной линии связано с выполнением дополнительной операции и снижает производительность процесса.
Эффективное решение задачи копирования — применение запоминающего устройства ЗУ (рис. 8-28, в). Датчик Д, расположенный на расстоянии I впереди мундштука М, передает через усилитель УП сигнал записывающему устройству ЗУ. Сигнал записывается на магнитной или бумажной ленте. Лента движется относительно записывающей 3 и считывающей Ч головок со скоростью, равной скорости сварки. Таким образом, за то время, пока мундштук пройдет путь /, сигнал, записанный в точке а, попадает под считывающую головку Ч, которая через усилитель передает команду исполнительному механизму ИМ. Надежность и эффективность следящей системы зависят в первую очередь от типа и конструкции датчика.
Фотоэлектрический датчик основан на изменении величины фототока в элементе / (рис. 8-29, а) в зависимости от интенсив-
406
Рис. 8-29. Схема действия бесконтактных датчиков слежения за стыком:
а — фотоэлектрического,б — электромагнитного
ности отраженного опорной линией 2 светового потока, излучаемого осветителем 3 и сфокусированного оптической системой 4. При отклонении луча от опорной линии интенсивность потока изменяется, что передается через усилитель 5 к исполнительному механизму б следящей системы. Недостатком этого способа копирования является чувствительность фотодатчика к посторонним источникам света, в том числе к бликам дуги.
Электромагнитный датчик основан на изменении магнитной проницаемости сплошного тела и тела, собранного из двух частей (рис. 8-29, б). При расположении среднего стержня электромагнита против стыка (х = 0) магнитный поток в обеих ветвях магнитопровода одинаков. Так как магнитные потоки в каждой из ветвей направлены встречно, суммарная э. д. с. системы равна нулю. При смещении системы поперек шва (х 4= 0) равенство двух магнитных потоков нарушается. Электромагнитные датчики весьма чувствительны к величине зазора и отсутствию зазора, а также к превышению кромок. Определенное влияние оказывает окалина, присутствующая на поверхности свариваемых кромок.
Существуют датчики, основанные на использовании излучения радиоактивных изотопов, состоящие из источника а-, ^- или у-излучения и приемника излучения, расположенных по обе стороны стыка. Свариваемое изделие ослабляет интенсивность излучения, пропуская только узкий пучок лучей против стыка. Кроме того, существуют пневматические и другие датчики, которые практически не получили распространения.
Системы косвенного действия для направления электрода по стыку получили относительно небольшое распространение из-за малой их универсальности, сложности и чувствительности к различным внешним помехам. Они применяются главным образом в массовом производстве, в специализированных установках и аппаратах (при сварке труб, при сварке швов большой протяженности и др.).
Рис. 8-30. Электромеханический регулятор
вылета электрода *
Отклонение мундштука по вертикали приводит к изменению вылета электрода, в результате чего изменяется настройка системы дуга—• источник питания, температура предварительного разогрева электрода и, следовательно, скорость его плавления. Это может вызвать непровар кромок, искажение формы шва и другие изменения. Увеличение вы
лета приводит к блужданию электрода относительно стыка, умень
шение — к излишнему нагреву мундштука.
В аппаратах рельсового типа применяют ручные или механи
зированные с ручным управлением корректоры для изменения или поддержания вылета электрода. При механическом копировании весь сварочный аппарат или только головку подвешивают таким образом, что они могут плавать по вертикали, упираясь в одну из свариваемых кромок. Устройства такого типа применяют в тех случаях, когда вес плавающей части аппарата сравнительно невелик и когда есть площадка для выхода упорного ролика или устройство для его фиксации в конце шва.
В аппаратах тяжелого типа часто применяют релейно-контактные системы регулировки вылета электрода (рис. 8-30). Зазор I между кнопками выключателя определяет величину допустимых колебаний вылета электрода. При минимально допустимом вылете h под действием ролика 2 рычаг 3 нажимает на концевик 4 и по команде усилителя У электродвигатель М поднимает всю систему / на заданный шаг. То же происходит при предельном увеличении вылета электрода.
Сравнение различных ходовых механизмов, применяемых в аппаратах, показанных на рис. 8-15, 8-16 и др., позволяет сделать вывод, что во всех случаях, где это возможно, следует отдавать предпочтение сварочным тракторам, которые обеспечивают лучшее копирование шва и изделия и равномерность движения. В громоздких высокомеханизированных установках предпочтительны аппараты самоходного типа, снабженные ручными или механическими копирами.
В СССР выпускается широкая номенклатура универсальных и специализированных аппаратов, в том числе подвесные или самоходные аппараты и тракторы (табл. 8-5).
Подвесные аппараты применяют главным образом в тех случаях, когда в процессе сварки передвигается изделие или когда аппарат закреплен на ходовой тележке установки. Чаще всего в качестве подвесных аппаратов применяют отдельные узлы самоходных аппаратов и тракторов.
Самоходные сварочные аппараты находят широкое применение В промышленности. Приведенный на рис. 8-15 самоходный универсальный аппарат А-1401 так же, как широкоизвестный аппарат АБС, предназначен для сварки под флюсом продольных и круговых швов стыковых, угловых и нахлесточных соединений. Он состоит из трех узлов, каждый из которых специализирован на выполнение определенных операций: сварочная головка; штанга с флюсоаппаратом и подъемным механизмом для передвижения головки в вертикальной плоскости; самоходная тележка, осуществляющая передвижение головки вдоль свариваемого изделия со скоростью сварки или с маршевой скоростью. Используя только первые два узла, можно получить тяжелую подвесную головку.
Аппарат А-1401 может быть укомплектован различными приставками, позволяющими осуществлять сварку в защитных газах, сварку на повышенных токах, наплавку и т. п. Он рассчитан на работу в составе высокомеханизированных установок при повышенных нагрузках.
На рис. 8-16 и 8-27 показан самоходный сварочный трактор ТС-17-Р для сварки прямолинейных и круговых швов. Минимальный внутренний диаметр сосудов при сварке круговых швов — 1200 мм. Сварка может осуществляться вертикальным или наклонным электродом. Характерная особенность трактора ТС-17-Р— наличие только одного электродвигателя, который приводит в действие механизм подачи электрода и ходовой механизм. Оба механизма смонтированы комплектно с электродвигателем в одном блоке, служащем несущим корпусом трактора, на котором закреплены остальные узлы и механизмы. Универсальность трактора (рис. 8-27) достигается благодаря комплекту сменных узлов и деталей.
Трактор снабжен асинхронным электродвигателем и имеет простую схему управления. Настройку режима осуществляют сменными шестернями. Преимущество трактора в простоте схемы и конструкции, компактности, малой массе, большой надежности, удобстве сварки угловых швов и сварки внутри сосудов. К недостаткам относится длительность перестройки режима сварки. Такие тракторы удобны в массовом и крупносерийном производствах.
На рис. 8-31 показан трактор АДС-1000-2. Наличие отдельных электродвигателей механизмов подачи проволоки и сварочного движения приводит к усложнению и утяжелению конструкции и схемы, но зато увеличивает универсальность трактора, позволяет плавно настраивать режим и использовать автоматическое регулирование скорости подачи.
Сварочный трактор АДС-1000-2 содержит четырехколесную тележку, которая движется по рельсовому пути или по изделию. Верхняя часть трактора поворотная, что позволяет настраивать аппарат на сварку швов, расположенных на разном расстоянии от рельсового пути.
Таблица 8-5
Технические данные наиболее распространенных аппаратов для автоматической сварки плавящимся электродом
Аппарат
Диаметр электродной проволоки
/св "РН
ПВ 65% А
гп м/ч
°св м/4
Источник питания
Габаритные разме ры аппарата мм
Масса аппарата кг
I
Тракторы для автоматической сварки под флюсом
ТС 17 МУ
1 6—5 0
200—1200
52—403
16—126
ТСД 1000
740 > 350 Х520
42
ТС 17 Р
1 6—5 0
200—1200
56—435
16—126
ТСД 1000
740 < 300 X 520
42
ТС 35
1 6-5 0
До 1000
50—500
12—120
ТСД 1000
850X530X490
45
АДС 1000 2
3 0—6 0
» 1000
30—120
15—70
ТСД 1000
1010Х 344X662
65
АД С 1000 4
2 0—5 0
400—1200
—
12—120
ТДФ 1001
1010X370X665
65
АДФ 500
1 6—2 5
До 500
150—720
15—70
ПСО 500
590 X 265 X 425
28
ТС 32
2 0-50
» 900
137—284
24—50
—
805X495X440
45
ТС 42
2 0—5 0
» 1000
60—1000
12—120
ТДФ 1001
700X310X450
40
II Тракторы для
автоматической сварки в защитных газах
АДПГ 500
0 8—2 5
До 500
150—720
15—70
ПСГ 500
570X265X425
22
ТС 42
1 2—3 0
» 500
100—1000
12—120
ПСГ 500
570X310X440
36
III Самоходные аппараты для сварки под флюсом
АБС
2 0—6 0 |
300—1200
28—220 |
14—110
ТСД 1000
760Х710Х 1750
160
IV Самоходные и подвесные аппараты для сварки в защитных газах
АДСП 2
1 0—2 5
400
100—800
10—80
560X600X480
63
АГП 2
1 0—2 5
400
100 800
300X600X440
24
V Многоэчектродные сварочные аппараты (сварка под флюсом)
ДТС 38
2 0—5 0
2Х 1500
58—580
16—160
900X410X930
85
А 639
2 0—6 0
2Х 1500
28—220
14—110
1450Х680Х 1950
250
Рис 8 31 Сварочный трактор АДС 1000 2
Наряду с перечисленными промышленность выпускает универ сальные и специальные аппараты для сварки в защитной газовой среде или в смеси газов и т д В последнее время получили распространение аппараты для сварки предварительно подогретой проволокой Предварительный подогрев достигается за счет увеличения вылета электрода или за счет пропускания через электродную проволоку подогревающего тока от отдельного низковольтного источника В первом случае во избежание блуждания проволоки с большим вылетом после токоподвода устанавливают дополнительную направляющую втулку, изолированную от мундштука
§ 8-3. Аппаратура для полуавтоматической сварки плавящимся электродом
При полуавтоматической сварке механизирована только операция подачи электродной проволоки, а передвижение дуги вдоль свариваемого шва осуществляется вручную (рис 8 3) Для того чтобы полуавтоматическая сварка могла успешно соперничать с прогрессивными методами ручной сварки, она должна сочетать преимущества автоматической сварки с маневренностью, универсальностью и гибкостью ручной
Высокие эксплуатационные свойства современных сварочных полуавтоматов достигаются за счет применения тонкой электродной проволоки, подаваемой к электрической дуге по гибкому направляющему каналу, который позволяет разместить относи-
411
Рис. 8-32. Шланговый полуавтомат толкающего типа
тельно тяжелый механизм для подачи проволоки на значительном расстоянии от зоны сварки, где расположен только рабочий орган ■— сварочная горелка 4 (рис. 8-32).
При сварке тонкой проволокой на больших плотностях тока (до 200 А/мм2) процесс саморегулирования дуги происходит чрезвычайно интенсивно. Это дает возможность при ручном перемещении горелки использовать независимую скорость подачи. Случайные колебания длины дугового промежутка, связанные с неточностью ручного ведения электрода, как правило, легко компенсируются саморегулированием дуги.
Сварочный полуавтомат (рис. 8-32) содержит катушку с проволокой 1, подающее устройство 2, гибкий направляющий канал 3 и ручной держатель или горелку 4. Элактродная проволока 5 сматывается с катушки и проталкивается ведущим 6 и прижимным 7 роликами через канал и горелку в дугу. В канале проволока находится в сжатом состоянии; усилие сжатия изменяется от максимального при входе в канал до нуля в наконечнике 8 горелки. Вследствие сжатия проволока располагается в канале в виде волнообразной змейки с переменным шагом волн. В местах контакта проволоки с каналом возникает сила трения Q, величина которой тем больше, чем больше угол Р и чем больше число точек контакта проволоки с каналом.
Сопротивление проталкиванию проволоки зависит от изгиба гибкого направляющего канала с проволокой (сила А), от его длины и от материала трущихся поверхностей. На закруглениях со сравнительно небольшим радиусом (Д) проволока укладывается как бы по внутренней поверхности желоба шкива, создавая дополнительное трение <7, величина которого зависит от угла обхвата а. Таким образом, сопротивление проталкиванию проволоки имеет комбинированный характер. Для тонких проволок решающее значение имеет потеря продольной устойчивости, для толстых — усилие изгиба.
Рис. 8-33. Гибкие направляющие каналы:Рис. 8-33. Гибкие направляющие каналы:а — типа КШПЭ;а — типа КШПЭ;б — типа КНб — типа КН
Рис. 8-33. Гибкие направляющие каналы:
Рис. 8-33. Гибкие направляющие каналы:
а — типа КШПЭ;
а — типа КШПЭ;
б — типа КН
б — типа КН
С возрастанием внешнего механического сопротивления (изгиб, прихватывание в наконечнике и др.) возрастает частота волн и, следовательно, сопротивление движению. Поскольку величина внешнего сопротивления не является постоянной, то и проволока может подаваться с переменной скоростью. Это особенно ощутимо в тех случаях, когда оболочка канала обладает малой жесткостью в продольном направлении.
Направляющие каналы любой конструкции (рис. 8-33, а и б) состоят из трубки / (монолитной или в виде спирали), защитного слоя 2, концентрично расположенной оболочки 5, которая препятствует растяжению внутренней трубки, и наружного защитного слоя 6. В ряде случаев трубку можно вынимать из оболочки. В каналах типа КШПЭ (рис. 8-33, а) вокруг спирали размещены токоведущие жилы 3 и провода управления 4.
Для порошковых проволок, проволок из титана и алюминия сопротивление проталкиванию намного выше, чем для стальных проволок сплошного сечения, что требует значительного увеличения силы проталкивания подающего механизма. Это часто приводит к деформации проволоки и к ее поломке у входа в канал. Для снижения сопротивления проталкиванию применяют каналы, изготовленные из материалов с малым коэффициентом трения, или обычные каналы, смазанные нейтральной смазкой (например, дисульфидом молибдена). Последний снижает сопротивление проталкиванию в 1,5—2 раза. Применение спиралей из бронзы снижает это сопротивление в 2—3 раза, спиралей из фторопласта— в 6—10 раз. Однако каналы из синтетических материалов дороги, поэтому их применение целесообразно только в исключительных случаях (сварка алюминия, титана и др.).
Для мягких проволок или проволок из металла с высоким коэффициентом трения, а также для проволок малого диаметра (менее 0,8 мм) полуавтоматы толкающего типа неприменимы. В этом случае применяются полуавтоматы тянущего типа, т. е. с механизмом подачи, расположенным в рукоятке горелки (рис. 8-34). Однако при наличии двух-трех изгибов, что неизбежно при длинном шланге и большой зоне обслуживания, сопротивление движению проволоки вследствие силы трения q резко возра-
Рис. 8-34. Шланговый полуавтомат тянущего типа.
/ — подающие ролики,
2 — ручная горелка,
3 — катушка с проволокой,
4 — гибкий канал
Л! — электродвигатель механизма протягивания
стает. Поэтому должна быть увеличена мощность привода механизма подачи, что приводит к утяжелению горелки.
Сварку со шлангами большой длины можно осуществлять путем применения так называемых систем тяни-толкающего типа (рис. 8-35). Они содержат механизм подачи 1, проталкивающий проволоку через канал 3, и тянущий ее механизм 2 При такой схеме подачи в канале устраняется волнообразное расположение проволоки, снижается число точек трения между проволокой и каналом.
Условием работоспособности систем тяни-толкающего типа является равенство скоростей подачи в тянущем ит и толкающем и2 механизмах. Поскольку обычными средствами это достигается трудно, как правило, один из приводов (например тянущий) должен иметь очень мягкую характеристику, т. е. в зависимости от нагрузки частота его вращения должна изменяться в широких пределах, а скорость подачи проволоки в этом механизме должна быть несколько большей, чем в толкающем. В результате проволока будет находиться в натянутом состоянии. Скорость ее подачи толкающим механизмом будет определять число оборотов тянущих роликов вследствие снижения частоты вращения привода с мягкой характеристикой (например пневматического).
Размещение тянущего механизма в ручной горелке излишне ее утяжеляет. Поэтому такие устройства применяют в исключительных случаях.
В соответствии с назначением полуавтоматы бывают : 1) стационарными (рис. 8-36, а), где в одном блоке сосредоточены источник питания, аппаратура управления, механизм подачи
414
Рис. 8-35. Шланговый полуавтомат тяни толкающего типа
проволоки, держатель со шлангом, в ряде случаев газовая аппаратура, автономная система охлаждения, фигурка с проволокой и т. д. Зона обслуживания такого полуавтомата лимитируется длиной шланга; 2) передвижными (рис. 8-36, б), состоящими из двух блоков; в одном размещен источник питания, пускорегулирующая и другая громоздкая аппаратура, во втором — тележка с механизмом подачи, бухтой для проволоки, держатель со шлангом. Тележка передвигается на колесах или переносится. Зона обслуживания лимитируется длиной гирлянды проводов и длиной шланга; 3) легкими, переносными (рис. 8-36, в); они снабжены легким подающим механизмом и малой катушкой с проволокой; 4) шпулечного типа (рис. 8-36, г), предназначенные для сварки в защитной газовой среде, под флюсом или открытой дугой без внешней защиты.
Различают полуавтоматы для сварки под флюсом, в среде инертных или защитных газов, а также открытой дугой без флюсовой или газовой защиты (табл. 8-6). Наибольшее распространение получили аппараты для полуавтоматической сварки в защитной газовой среде. По сравнению со сваркой под флюсом такие
Рис. 8-36. Компоновочные схемы различных полуавтоматов для дуговой сварки
Таблица 8-6
Технические данные наиболее распространенных шланговых полуавтоматов
Полуавтомат
Защита зоны сварки
Диаметр электродной проволоки, мм
^СВ при /75 = 65%, А
Уп. М/Ч
Источник питания
2
« ” х s х та
Габаритные размеры механизма подачи, мм
2 5
” » h
£ 2 *
К S*
Компоновка по рис. 8-36
А-547У
Углекислый газ
I. п
0,8—1,2
олуавтома До 200
гы толкающе!
100—250
'о типа
ВС-300
1,2
350Х 118X245
6
6
А-1230М. . . .
Вв
0,8—1,2
» 315
140—670
ВС-300
и 2,5 3,0
364 X 280X130
11
в
ПД Г-301
в»
0,8—1,2
» 300
180—720
ПСГ-500
3,0
450X240X275
6
в
ПДГ-302
вв
0,8—2,0
» 300
180—720
ПСГ-500
3,0
380X330X 100
5
Ран-
ПДГ-303
вв
0,8—1,2
» 300
180—720
ВДГ-301
3,0
450X240X275
7
цевый
в
ПДГ-304
вв
0,8—1,6
» 300
180—720
ВД Г-301
3,0
380X330X100
7
Ран-
А-825
вв
1,0—1,2
» 250
120—620
ВС-300
2,5
900X660X420
20
цевый
в
ПШП-21 . . . .
Углекислый газ.
0,8—2,0
» 300
100—1000
ИПП-300
—
650 X 180X398
14,5
в
ПШ-5-1
аргон
Флюс
1,6—2,0
» 630
80—600
Пост.
3,5
440X300X340
20
в
ПШ-54
»
1,6—2,0
» 500
80—600
или перем.
3,5
330X280X325
23
в
ПДШМ-500 . . .
»
1,6—2,5
» 500
100—420
ПСО-500
4,0
400X345X343
13
в
ПДШР-500 . . .
»
1,6—2,5
» 500
100—420
ПСО-500
4,0
400X345X343
13
в
ПДП Г-500 . . . .
Углекислый газ
0,8—2,0
» 500
150—720
ПСГ-500
3,5
625X425X350
10,5
в
А-537У
»»
1,6—2,0
» 520
80—600
ПСГ-500
3,5
330X280X325
25
в
Полуавтомат
Защита зоны сварки
Диаметр тродной проволоки, мм
7св
ПВ^65%, А
Уп, м/ч
Источник питания
S
S я е; Ч
EI3
Габаритные размеры механизма подачи, мм
sg
Компоновка по рис. 8-36
А-1035
Углекислый газ или флюс
1,6—3,5
» 450
58—580
ПСГ-500
3,5
900X660X420
25,5
б
А-1197П. . . .
То же
1,6—3,0
» 500
90—900
ВДУ-504
3,0
960X660X560
35
б
А-1197С
»
1,6—3,0
» 500
92—920
ВДУ-504
3,0
960 X 660 X 560
35
б
А-765
Без внешней защиты
1,6—2,0
» 450
58—580
ПСГ-500
3,5
760X500X550
52
б
А-1114М. . . .
То же
1,6—2,0
» 500
106—428
ПСГ-500
2,5
364Х290Х 130
10,5
в
А-1503П. . . .
Углекислый газ
1,6—3,0
» 630
90—920
ПСГ-500
3,0
960X660X560
25,5
а
Y7 Заказ
Продолжение табл. 8-6
II. Полуавтоматы шпулечного типа
ПШП-31 . . . .
Углекислый газ и аргон
0,4—0,8
До 120
300—1000
ГСР-150
—
295X56X160
0,8
—
ПДА-180-2. . .
Аргон
1,0—1,2
» 180
180—660
—
—
—
0,95
—
III. Полуавтоматы тянущего типа
Постоян- | — 1 325X85X200 I 1,7НЫЙ ТОК I IIПостоян- | — 1 325X85X200 I 1,7НЫЙ ТОК I IIПШП-10 . . . . I Аргон, углекис- I 1,0—2,5 I До 300 I 160—650 лый газ
Постоян- | — 1 325X85X200 I 1,7
НЫЙ ТОК I II
Постоян- | — 1 325X85X200 I 1,7
НЫЙ ТОК I II
I. Полуавтоматы тяни-толкающего типа
625X425X350 I 10,4625X425X350 I 10,4
625X425X350 I 10,4
625X425X350 I 10,4
ПДА-300 . . . . I Аргон
1,6—2,0 I » 300 I 120—420
Рис. 8-37. Шланговый полуавтомат А-1197П полуавтоматы обеспечивают возможность наблюдения во время работы за сварочной ванной, возможность сварки швов с различным положением в пространстве. Горелка таких полуавтоматов легче и маневренней, чем при сварке под флюсом.
На рис. 8-37 показан полуавтомат А-1197П для сварки в углекислом газе сплошной и порошковой проволоками на токе силой до 500 А. Аппарат снабжен механизмом подачи с двумя парами ведущих роликов на передвижной тележке, на которой расположена также «фигурка» для проволоки. Рабочий инструмент полуавтомата —■ горелка (рис. 8-38) содержит изогнутый мундштук 5 с переходной втулкой 2 и наконечником 6, рукоятку 1 с гашеткой 4 пусковой кнопки, защитный щиток 7 и сопло 8 для создания вокруг зоны сварки защитной атмосферы 9. Сопло электрически изолировано от наконечника и может легко заменяться. Переходная втулка имеет ряд отверстий 3, расположенных перпендикулярно направлению подачи проволоки и предназначенных для подвода в зону сопла защитного газа. Это обеспечивает получение ламинарного газового потока.
При сварке в углекислом газе выделяющиеся брызги прилипают к соплу и наконечнику, ухудшая газовую защиту зоны сварки и образуя токоведущую перемычку между соплом и нако-
418
нечником горелки. Для снижения вероятности прилипания брызг применяют охлаждаемые сопла, составные с изоляционной прокладкой, металлокерамические и др. Несколько снижают прилипание брызг теплостойкие покрытия или хромирование сопла. Эффективно применение защитных смазок, например силиконовых (раствора кремнийорганических соединений). При наличии смазки на поверхности сопла и наконечника брызги металла не привариваются, а только прилипают и потом легко удаляются.
Горелки для сварки под флюсом, конструкция которых аналогична рассмотренной конструкции горелки полуавтомата А-1197П (рис. 8-38), снабжены небольшой воронкой, из которой флюс поступает в сопло под действием собственного веса. Для лучших условий ссыпки флюса воронка может поворачиваться вокруг оси наконечника.
Наряду с универсальными выпускаются специализированные полуавтоматы, например мощные полуавтоматы для заварки дефектов чугунного литья, полуавтоматы ранцевого типа для сварки в условиях монтажа (механизм подачи и катушка расположены в ранце на спине сварщика), полуавтоматы для сварки определенных типов изделий и т. п.
§ 8-4. Аппаратура для сварки неплавящимся электродом
Схема процесса сварки неплавящимся электродом показана на рис. 8-39, а. В качестве электрода 1 применены стержни из вольфрама, графита или других тугоплавких электропроводных материалов. Сварка происходит в газовой среде, которая защищает зону сварки и разогретый электрод от контакта
27* 419
Рис. 8-39. Схема процесса сварки неплавящимся электродом
1 — электрод,4—дуга
2 — зажим электрода,5—сварочная ванна,
3 — сопло;6—присадочный стержень
с воздухом и которая вследствие ионизации создает условия для устойчивого существования дугового разряда. Как правило, сварку неплавящимся электродом ведут в инертном газе и только при графитовом электроде применяют углекислый газ.
Шов при сварке неплавящимся электродом образуется за счет оплавления кромок. В тех случаях, когда форма и размеры шва этого требуют, используют высокую температуру сварочной ванны 5 для оплавления присадочного стержня 6 (рис. 8-39, б).
Сварку неплавящимся электродом выполняют на постоянном или переменном токе. Особенности горения дуги переменного тока обусловлены различными физическими свойствами электрода и изделия. В полупериоде, когда катодом является нагретый вольфрам, дуга вследствие значительной термоионной эмиссии возбуждается при низком напряжении. В следующий полупериод, когда катодом является холодный металл (например, алюминий А1) с ничтожной термоионной эмиссией, возбуждение дуги требует значительного пика напряжения. В результате кривая напряжения имеет несимметричную форму, что, в свою очередь, приводит к появлению в сварочной цепи постоянной составляющей тока.
Наличие постоянной составляющей отражается на качестве сварного шва (ухудшаются условия разрушения пленки на поверхности металла, нарушается устойчивость горения дуги) и на работе трансформатора (повышается намагничивающий ток, снижается коэффициент мощности и др.). Поэтому источники переменного тока для сварки неплавящимся электродом содержат кроме сварочного трансформатора СТ (рис. 8-40), дросселя насыщения Др, осциллятора для первоначального возбуждения дуги также и генератор импульсов для повторного возбуждения дуги и блок подавления постоянной составляющей сварочного тока.
Рис. 8-40. Схемы источников питания для сварки неплавящимся электродом
Полностью или частично устранить постоянную составляющую тока можно путем включения в сварочную цепь: 1) источника постоянного тока с э. д с., направленной встречно постоянной составляющей напряжения дуги. В качестве источника тока используется блок полупроводниковых вентилей ВМ (рис. 8-40, а), питаемый от регулируемого автотрансформатора; 2) вентиля, зашунтированного сопротивлением (рис. 8-40, б). Вентиль В пропускает ток в те полупериоды, когда катодом является изделие. В других полупериодах величина тока в цепи ограничивается сопротивлением R. Это сопротивление регулируется для компенсации постоянной составляющей на различных режимах; 3) емкости С и индуктивности Др (рис. 8-40, в); этот способ получил наибольшее распространение; его преимущество —■ отсутствие активных потерь и увеличение cos у.
Для постоянного тока при сварке неплавящимся электродом благодаря отсутствию смены полярности процесс отличается высокой устойчивостью.
При сварке неплавящимся электродом применяются выпрямители, преобразователи или трансформаторы с падающими внешними характеристиками.
Сварку неплавящимся электродом выполняют вручную, полуавтоматически (механизирована подача присадочной проволоки) или автоматически, когда механизированы передвижение электрода и, при необходимости, подача присадочной проволоки.
Горелка для ручной сварки (рис. 8-41) содержит систему охлаждения (водяную или воздушную), электрод, закрепленный в токоподводящей цанге 2, размещенный в пространстве, ограниченном газозащитным соплом 1. Диаметр электрода выбирают в зависимости от номинальной величины сварочного тока.
При сварке с присадочной проволокой последняя подается по гибкому направляющему каналу так, как это имеет место в шланговых полуавтоматах для плавящегося электрода (рис. 8-42) Проволока электрически изолирована от сварочного напряжения дуги. Скорость подачи присадочной проволоки выбирают в соответствии с ее диаметром и мощностью дуги. Поскольку проволока поступает в ванну по касательной к поверх-
Рис. 8-41. Горелка для ручной сварки вольфрамовым электродомРис. 8-41. Горелка для ручной сварки вольфрамовым электродом/ — сопло,2 — цанга,3 — колпачок, 4 — корпус,/ — сопло,2 — цанга,3 — колпачок, 4 — корпус,5 — газовый клапан,6 — рукоятка,7 — кабель,8 — токоподвод5 — газовый клапан,6 — рукоятка,7 — кабель,8 — токоподводности свариваемой детали, желательно режим сварки выбрать таким образом, чтобы скорость сварки и скорость подачи присадочной проволоки были равными. В этом случае оператор как бы опирается на конец подаваемой проволоки, контролируя при этом
Рис. 8-41. Горелка для ручной сварки вольфрамовым электродом
Рис. 8-41. Горелка для ручной сварки вольфрамовым электродом
/ — сопло,
2 — цанга,
3 — колпачок, 4 — корпус,
/ — сопло,
2 — цанга,
3 — колпачок, 4 — корпус,
5 — газовый клапан,
6 — рукоятка,
7 — кабель,
8 — токоподвод
5 — газовый клапан,
6 — рукоятка,
7 — кабель,
8 — токоподвод
скорость движения горелки.
Часто сварщики подают присадочный материал вручную,
прутками.
Автоматическая сварка неплавящимся электродом сводится к перемещению сварочной горелки или изделия по заданной траектории с заданной скоростью. Подача вольфрамового электрода вследствие незначительного его расхода (порядка сотых долей
грамма на 1 м шва), как правило, не механизируется.
На рис 8-43, а представлена схема горелки для механизированной сварки вольфрамовым электродом. Электрод 10 зажат в токоподводящей
Рис. 8-42.
Горелка для полуавтоматической сварки вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки
Рис. 8-43. Головки для автоматическойРис. 8-43. Головки для автоматическойсварки неплавящимся электродомсварки неплавящимся электродом
Рис. 8-43. Головки для автоматической
Рис. 8-43. Головки для автоматической
сварки неплавящимся электродом
сварки неплавящимся электродом
цанге 2 при помощи маховика 7. Для изменения положения электрода относительно сопла 7 служит маховик 5, при вращении которого охлаждаемая проточной водой обойма 6 передвигается в корпусе 4. Цанга 2— сменная деталь, предназначенная для электродов определенного диаметра. Газ поступает через штуцер 8 по зазору между обоймой и корпусом 9.
Требования к конструкции сопл и характеру истечения газа при сварке неплавящимся электродом такие же, как и при сварке плавящимся электродом, однако отсутствие брызг позволяет широко применять керамические сопла и газопроницаемые сеточные вкладыши 3 (газовые линзы) для получения ламинарного потока газа.
При сварке неплавящимся электродом качество шва в большой степени зависит от величины дугового промежутка. В большинстве случаев достаточно применения ручных корректоров или механических копирных устройств, аналогичных ранее описанным. Когда дуговой промежуток должен соблюдаться с большой точностью, применяют автоматические регуляторы, реагирующие на изменение напряжения дуги, интенсивность ее светового излу-
чения или на изменение расстояния между изделием и электро, магнитным щупом.
Автоматическую сварку с подачей присадочной проволоки выполняют головками (рис. 8-43, б), снабженными кроме горелки 1 механизмом 2 подачи проволоки, катушкой 3, направляющим шлангом 4 с наконечником 5 и системой корректоров 6—8. Последние определяют положение наконечника 5 относительно горелки 1. В ряде случаев для надежного прижатия проволоки к свариваемым кромкам служит ролик. Иногда по технологическим соображениям (например, для повышения производительности сварки или наплавки) присадочную проволоку предварительно подогревают при помощи твч или пропусканием через участок проволоки электрического тока.
Для сварки неплавящимся электродом используют сварочный трактор АДСВ-2, предназначенный для сварки в аргоне нержавеющих, жаропрочных и конструкционных сталей толщиной 0,8— 4 мм и алюминиевых и магниевых сплавов толщиной 1—6 мм на силе тока до 400 А. Диаметр вольфрамового электрода 1—6 мм, диаметр присадочной проволоки 1—2,5 мм.
В аппаратах для сварки неплавящимся электродом механизмы подачи присадочной проволоки и ходовые механизмы имеют принципиально такую же конструкцию, как аналогичные устройства для сварки плавящимся электродом. В этих аппаратах электрическая схема обеспечивает зажигание дуги пробоем дугового промежутка высокочастотной дугой осциллятора и заварку кратера при прекращении сварки путем постепенного уменьшения силы сварочного тока. Подача защитного газа начинается до начала сварки и прекращается через несколько секунд после ее окончания, т. е. после остывания вольфрама.
" Головки для сварки графитовым электродом в связи с более высоким расходом графита, чем вольфрама (около 1 мм в минуту), снабжены механизмами подачи электрода. Поскольку при графитовом электроде дуга обладает повышенной эластичностью, электрод подают вручную или электроприводом периодического или непрерывного действия.
§ 8-5. Аппаратура для сварки дугой, сжатой газовым потоком
При обычной дуговой сварке дуга горит свободно между электродом и изделием. Однако если при помощи каких- либо приемов не дать возможность дуге занять ее естественный объем, принудительно сжать ее, то температура дуги значительно повысится. В частности, можно ограничить диаметр столба дуги, пропустив ее через сопло малого диаметра (рис. 8-44, а). При этом плазмообразующий газ, который подается в камеру 1 горелки, вытекая через сопло 2, сжимает дугу. Часть газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде
Рис. 8-44. Схемы горелок для сварки плазменной дугой
плазменной струи. Наружный слой, омывающий столб дуги, остается относительно холодным и создает электрическую и тепловую изоляцию между дугой и соплом, предохраняя его от разрушения. Способ сварки сжатой дугой часто называют также плазменно-дуговой сваркой.
Поскольку дуга горит между электродом 3 (катод) и изделием 4 (анод), это дуга прямого действия. При другой разновидности процесса (рис. 8-44, б) дуга горит между электродом 3 и соплом 2. Нагретый и в значительной мере ионизированный газовый поток выдувается из сопла горелки в виде яркого, концентрированного пламени —■ это дуга косвенного действия.
В связи с высокой скоростью истечения высокотемпературная струя частично увлекает с собой в зону сварки газы из окружающей атмосферы. Поэтому в большинстве случаев нужна дополнительная защита зоны сварки газом, подводимым через газозащитное сопло 5. На рис. 8-44, а, б показана схема подключения электродов и плазмообразующих сопл к источнику питания 6. В горелках прямого действия непосредственное возбуждение дуги между электродом и изделием через узкий канал сопла осуществить трудно. Поэтому при помощи осциллятора или угольного стержня возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом, которая питается от того же источника, через ограничивающее сопротивление R, а затем, как только разогретая струя коснется изделия, автоматически зажигается основная дуга и выключается вспомогательная.
Плазменную дугу постоянного тока можно представить в виде ряда участков, последовательно расположенных вдоль ее оси. Дуга прямого действия состоит из катодной области UK, досопло- вого (Йкс), внутрисоплового (Дс), засоплового (Дса) участков столба и из анодной области (Да). Соответственно напряжение дуги является суммой падений напряжения на этих участках.
Аналогична структура дуги косвенного действия, однако она не имеет засоплового участка. Вольт-амперная характеристика плазменной дуги при прочих равных условиях имеет такую же конфигурацию, как и характеристика обычной дуги.
По сравнению с обычной дугой плазменная дуга имеет ряд дополнительных характеристик, позволяющих воздействовать на режим сварки. К этим характеристикам относятся диаметр сопла, расход и состав газа, в значительной мере влияющие на напряжение и температуру дуги, а следовательно, на положение вольт- амперной характеристики по отношению к координатным осям. Чем интенсивнее обжата дуга, тем выше ее напряжение и тем меньше сила тока, при которой вольт-амперная характеристика переходит в независимую или даже возрастающую.
Таким образом, напряжение сжатой дуги зависит от конструктивных размеров элементов горелки-плазмотрона: диаметра сопла, расстояния между электродом и соплом, длины сопла, силы тока дуги, состава и расхода рабочего газа, величины расстояния от торца сопла до изделия и, наконец, от внешней характеристики источника питания. В обычных источниках питания для дуговой сварки сила тока уменьшается с увеличением напряжения дуги, причем величина отклонения зависит от разности динамических сопротивлений дуги и источника. При автоматической сварке плавящимся электродом такая зависимость обеспечивает возможность саморегулирования длины дуги.
В дуговых процессах с неплавящимся электродом изменение силы тока при изменении напряжения дуги приводит к неравномерности глубины проплавления металла и нарушению стабильности процесса. Поэтому при плазменно-дуговой сварке оптимальными внешними характеристиками источника питания являются крутопадающие или даже вертикальные характеристики, позволяющие значительно изменять напряжение при постоянстве силы тока. Источники питания с вертикальными характеристиками появились сравнительно недавно, применительно к плазменно-дуговым процессам металлов.
Существует специальное оборудование для ручной и механизированной плазменно-дуговой сварки и наплавки. Оно отличается от ранее описанных сварочных устройств конструкцией горелки- плазмотрона. Существует множество горелок, отличающихся конструкцией электрода-катода (стержневой, полый, дисковый), способом охлаждения (водой, воздухом), способом стабилизации дуги (газом, водой, магнитным полем), родом тока, составом плазмообразующей среды и т. д.
Поскольку эффективность использования мощности плазменной дуги связана с ростом напряженности внутрисопловой части столба дуги, лимитирующим и наиболее нагруженным элементом горелки является сопло. В плазмотронах косвенного действия величина тока ограничена величиной максимально допустимой тепловой нагрузки на сопло (выше которой оно разрушается)
й явлением шунтирования дуги в канале сопла, а в плазмотроне прямого действия — возникновением двойной дуги при электрическом пробое прослойки газа. Как правило, сопла изготовляют из материала с повышенной теплопроводностью (чаще всего из меди) и охлаждают водой. Сопла малоамперных горелок могут иметь воздушное охлаждение. Формирующие сопла являются сменными элементами горелок и поэтому должны быть, по возможности, простыми и дешевыми.
Для лучшей стабилизации плазменной дуги желательно, чтобы рабочий газ поступал по винтовой линии, для чего многие горелки снабжены завихрителями.
К соплам для газовой защиты 5 (см. рис. 8-44, б) предъявляют те же требования, что и для горелок, предназначенных для сварки обычной дугой. С увеличением скорости истечения плазменной струи нарушается ламинарность потока. Кроме того, в засопло- вом участке степень обжатия столба дуги уменьшается В связи с этим в последние годы получают все большее распространение горелки с вторичным фокусирующим и защитным потоком газа (рис. 8-44, в). Газ подается под углом к оси горелки и как бы омывает столб дуги, интенсивно охлаждая его, благодаря чему при удалении от сопла несколько уменьшается диаметр столба дуги. При этом высокая концентрация плазменного потока достигается при сравнительно малой скорости истечения. Такие горелки, называемые иглоплазменными или микроплазменными, позволяют получить остроконечную плазменную дугу в области малых токов (0,5—30 А).
§ 8-6. Аппаратура для многоэлектродной сварки
Существуют различные схемы процесса многоэлектродной дуговой сварки (см. гл. I и II), применяемые с целью повышения скорости сварки, для наплавочных работ и для других специальных задач. Электроды могут быть электрически изолированы друг от друга и подключены к раздельным источникам питания или к общему источнику; сварка
Рис. 8-45. Самоходный аппарат А-639 для автоматической дуговой сварки под флюсом
Рис. 8-46. Мундштук для сварки и наплавки расщепленным электродом
может производиться дугами, горящими в общем плавильном'' пространстве или раздвинутыми так, что вторая дуга плавит затвердевший, но не остывший металл шва, полученный при горении первой дуги. Существенным преимуществом многоэлектродных аппаратов является также и то, что они позволяют применять схему трехфазного питания с симметричной загрузкой сети.
Аппараты для многоэлектродной сварки в большинстве случаев представляют собой комплект из двух или трех одноэлектродных сварочных головок, смонтированных на общей траверсе (рис. 8-45). Головки можно устанавливать на различных расстояниях, при различном расположении мундштуков, что существенно влияет на характер процесса сварки.
428
При трехфазной сварке, когда первостепенное значение приобретает не только дуговой промежуток, но и расстояние между электродами, взаимное положение электродов должно регулироваться не только в процессе настройки, но и в процессе сварки. С этой целью аппараты для трехфазной сварки снабжают ручными или автоматическими корректорами положения электродов.
Для сварки и наплавки расщепленным электродом (гребенкой электродов, расположенных вдоль или поперек направления сварки) могут быть использованы многоэлектродные аппараты перечисленных групп с параллельным подключением мундштуков к общему источнику питания или специальные головки. Характерной особенностью мундштука для сварки расщепленным электродом (рис. 8-46) является то, что он позволяет регулировать кривизну каждого электрода в отдельности, а также изменять (в том числе во время работы) расстояние между проволоками и тем самым воздействовать на режим сварки (см. табл. 8-5).
Многоэлектродная сварка неплавящимся электродом (независимой дугой, атомно-водородная и трехфазной дугой) получила сравнительно небольшое распространение, поэтому аппаратура здесь не рассмотрена.
§ 8-7. Аппаратура для дуговой наплавки
Наплавку изношенных поверхностей или нанесение слоев с определенными свойствами на новые детали можно осуществлять обычными сварочными аппаратами либо аппаратами, специализированными для выполнения определенных технологических приемов. '^ При наплавке больших поверхностей
задача заключается в получении широкого слоя за один проход. Для этой цели выполняют наплавку «гребенкой»— параллельно расположенными электродами, подаваемыми в зону наплавки многоэлектродными механизмами (см., например, рис. 8-46).
Наплавочная головка может быть снабжена механизмом, совершающим поперечные движения при перемещении электрода в направлении наплавки. Наплавку широкого слоя можно осуществить путем применения ленточного электрода (сплошного или
Рис. 8-47. Мундштук для широкослойной наплавки ленточным электродом
Рис. 8-48. Схема головки для плазменной наплавки металлическим порошком:
1 — источник питания дуги прямого действия;
2 — сопротивление;
3 — источник питания дуги косвенного действия;
4 — осциллятор,
5 — сопло для плазмообразующего газа;
6 — корпус,
7 — ввод защитного газа;
8 — питатель для подачи порошка;
9 — подача газа для транспортировки порошка
порошкового). Головка для наплавки лентой содержит два широких цилиндрических подающих ролика с прямолинейной накаткой или насечкой и подпружиненные токоведущие шины с контактирующими планками (рис. 8-47). Поворачивая головку вокруг оси, совпадающей с направлением подачи ленты, получают наплавленный слой разной толщины.
Весьма совершенным методом нанесения различных покрытий является наплавка и напыление плазменной дугой (рис. 8-48). Наплавляемый металл, приготовленный в виде мелкогранулиро- ванного порошка, подается при помощи дозатора и газовой струи в зону плазменной дуги, где порошок нагревается и расплавляется. Плазмообразующий газ переносит подогретые частицы на обрабатываемое, обогретое плазменной дугой изделие. Защита наплавленного слоя от воздействия окружающей среды обеспечивается потоком инертного газа.
В настоящее время выпускаются универсальные и специализированные аппараты для полуавтоматической и автоматической наплавки (табл. 8-7).
§ 8-8. Аппаратура и источники питаниядля электрошлаковой сварки и наплавки
Процесс электрошлаковой сварки имеет ряд особенностей, предопределяющих необходимость создания аппаратуры, существенно отличающейся от аппаратуры для дуговой сварки.
430
Таблица 8-7
Технические данные наиболее распространенных наплавочных аппаратов
Аппарат
Защита зоны наплавки
Электрод
^св
при пв=юо%, А
Оп. М/ч
Скорость наплавки, м/ч
Габаритные размеры аппарата, мм
Масса аппарата , кг
Проволока (диаметр, мм)
Лента (ширина, мм)
I. Подвесные аппараты для наплавки под флюсом
А-580М
А-384МК . . . .
Флюс »
1—3
3—5
15—100
400
1000
48—410
24—228
—
425X1200X1250 610X700X1846
84
135
А-985
2—5
—
1000
17—230
—
870X600X2320
310
А-1406
Флюс или углекислый газ
2—5
20
1000
53—530
—
1300X1300X1700
250
II. Подвесные аппараты для наплавки под флюсом и в углекислом газе
А-1407. . . .
Углекислый газ
1—2
10
500
I 53—530
—
1350Х700Х 1500
170
А-1408
Флюс и углекислый газ
1—2
—
300
53—530
—
1265Х 1285Х 1470
230
III. Самоходные аппараты для наплавки под флюсом
А-874Н
Флюс
2—7
15—100
1000
5—90
5—116
1100X810X2000
285
А-1004М. . . .
Флюс или без защиты
—
20
1200
20—150
5—60
1650X820X1600
250
А-1235
»»»»
2—5
20—70
1000
50—490
6,2—62
975X850X1730
290
IV. Самоходный аппарат для наплавки плазменной дугой
А-1299М. .
. . 1 Инертный газ|||500|| 0,7—10,5 | 1000 X 750X 2300 |250
характери- ванны
Рис. 8-49.
Вольт-амперная стика шлаковой
Рис. 8-50.
Кривые устойчивой работы при постоянной скорости подачи электрода (У) и внешние характеристики источника питания (2)
К числу этих особенностей следует отнести: наличие в зазоре между кромками сварочной ванны, содержащей значительное количество расплавленного шлака и металла; вертикальное или близкое к вертикальному расположение швов; сварку в один проход металла практически неограниченной толщины (см. гл. III).
В связи с этим аппаратура для электрошлаковой сварки содержит устройства для принудительного удержания сварочной ванны в зазоре между кромками; механизмы для перемещения сварочной головки и других систем по вертикали, вдоль свариваемых кромок; источники питания, характеристики и параметры которых обеспечивают устойчивость процесса; механизмы перемещения электродов вдоль зеркала сварочной ванны для равномерного ее прогрева и, следовательно, для получения равномерного провара кромок.
Основные требования к источникам питания шлаковой ванны. Шлаковую ванну можно рассматривать как инерционное нелинейное активное сопротивление. Однако в связи с ее высокой тепловой инерционностью нелинейность не отражается на мгновенных значениях тока и напряжения.
Статическая вольт-амперная характеристика шлаковой ванны при постоянном расстоянии между концом электрода и ванны представляет собой падающую кривую (рис. 8-49), что объясняется зависимостью проводимости шлака от его температуры. Форма вольт-амперной характеристики при постоянной скорости подачи электродной проволоки имеет такой же вид, как и при дуговой сварке (рис. 8-50), т. е. каждой скорости подачи соответствует определенный интервал значений токов, в котором плавление электродной проволоки происходит устойчиво. Поэтому для интенсификации саморегулирования процесса плавления электрода применяют (как и при дуговой сварке) источники питания переменным или постоянным током с жесткими внешними характеристиками. Возможность применения источников переменного тока с жесткими характеристиками обусловлена тем, что шлако-
Сеть ~ 3808Сеть ~ 3808Рис. 8-51.Схема трансформатора ТШС-1000-3 с секционированными обмотками:Рис. 8-51.Схема трансформатора ТШС-1000-3 с секционированными обмотками:Сеть ^3806Сеть ^3806
Сеть ~ 3808
Сеть ~ 3808
Рис. 8-51.
Схема трансформатора ТШС-1000-3 с секционированными обмотками:
Рис. 8-51.
Схема трансформатора ТШС-1000-3 с секционированными обмотками:
Сеть ^3806
Сеть ^3806
К1 — Кб — контакторы силовые;
РП1 — РП6 — реле промежуточные, Д — двигатель вентилятора,
ПН — переключатель ступеней напряжения,
ТП — трансформатор понижающий
вая ванна представляет собой активное сопротивление и перемена направления тока в ней не сопряжена с какими-либо дополнительными явлениями вроде повторного возбуждения дуги.
Трансформаторы с жесткими внешними характеристиками обладают, по сравнению с трансформаторами с падающими характеристиками для дуговой сварки, меньшей массой при более высоком к. п. д. и близким к единице коэффициентом мощности. Сварка толстого металла несколькими электродами позволяет применять трехфазные трансформаторы с равномерной загрузкой питающей сети.
Основная особенность трансформаторов для электрошлаковой сварки — широкий диапазон регулирования вторичного напряжения. По способам регулирования напряжения трансформаторы можно разделить на три группы: с секционированными обмотками (рис. 8-51); с дополнительными регулировочными (вольтодобавочными) трансформаторами малой мощности; с плавным регулированием напряжения при помощи магнитной коммутации. Переключение секционированных обмоток или вольтодобавочных трансформаторов можно выполнять при помощи контакторов, контролеров или других приспособлений одновременно во всех фазах или в каждой фазе раздельно (табл. 8-8). В качестве
28 Заказ № 782 4 3 3
Таблица 8-8
Технические данные наиболее распространенных трансформаторов для электрошлаковой сварки (характеристика — жесткая)
Трансформатор
Номинальная мощность, кВА
Число фаз
^св
(фазный) при ПВ=Ю0%, А
Ux X’ в
Пределы регулирования напряжения, в
Охлаждение
Габаритные размеры трансформатора, мм
Масса, кг
ТШС-1000-1 . . .
56
I. т
1
)ансформатор
1 000
ы с секциони
рованными о(
38—62
Змотками
Воздушное
980X690X1150
510
ТШС-1000-3
170
3
1 000 (2 000)
38-62
»
1470X900x1715
1400
ТШС-3000-1
138
1
3 000 (6 000)
13,5—46
Водяное
960X706X780
600
ТШС-3000-3 .
500
3
3 000 (6 000)
8—63
»
1360Х1335Х 1505
2200
ТШС-10000-1
410
1
10 000
28—41
»
1370Х 1300X900
1050
ТШП-10-1 . . . .
724
1
10 000
36—61
»
1740Х 1100X1840
3050
ТШП-20-1 . .
760
1
21 000
(40—72)
21—54
»
1800X 1050X1380
3100
ТШП-15-3 . . .
1370
3
15 000
14—50
»
1450X 1300X1300
3250
ТРМ К-3000-1
170
II. Трансформаторы с
1|3 000
регулируемой магнитной
34—6131—57
коммутацией
Воздушное
1060X1040X1050
1100
источников постоянного тока могут быть использованы преобразователи или выпрямители с жесткими характеристиками.
Аппаратура для автоматической и полуавтоматической элек- трошлаковой сварки. Электрошлаковая сварка вертикальных швов предусматривает одновременное выполнение следующих операций: нагрев шлаковой ванной свариваемых кромок и присадочного материала до температуры их плавления; подачу в зазор между кромкой электродного и дополнительного металла; подвод к электроду сварочного тока; удерживание сварочной ванны в зазоре; перемещение источника нагрева и формирующих устройств по мере образования шва; возвратно-поступательное перемещение источника нагрева в зазоре для равномерного проплавления кромок толстого металла и др. Указанные операции выполняет комплекс механизмов, образующих сварочный аппарат. В зависимости от назначения и от степени механизации такой аппарат может содержать механизмы, способные выполнять все перечисленные функции (автоматическая сварка) или только некоторые из них (полуавтоматическая сварка).
Как и для дуговой сварки, рассматриваемые в настоящем разделе аппараты по способу перемещения разделяются на самоходные (рельсовые и безрельсовые) и подвесные (рис. 8-52). Конструкция сварочного аппарата зависит также от типа электрода: для сварки проволочными и пластинчатыми электродами или плавящимся мундштуком. Многие элементы аппаратов аналогичны устройствам того же назначения в аппаратах для дуговой сварки.
Головки для электрошлаковой сварки. Головки для электро- шлаковой сварки проволочными электродами так же, как и головки для дуговой сварки, содержат привод, роликовый механизм и другие рассмотренные ранее узлы. Однако токоподводящие мундштуки отличаются тем, что они должны обеспечивать ввод электрода в глубокий зазор между кромками и его вертикальное расположение в зазоре на участке сварочной ванны. Такие мундштуки (рис. 8-53) могут быть расположены вне зазора между кромками (а) или в зазоре (б). Первые позволяют уменьшить зазор и, следовательно, повысить производительность процесса сварки. Однако с увеличением толщины металла растет вылет электрода и снижается точность его направления. Это может привести к непровару одной из кромок, искажению формы шва и прожогу ползунов. Поэтому мундштуки для толстого металла располагают в зазоре и снабжают приспособлениями 7, корректирующими направление проволоки.
Привод систем подачи проволочных электродов снабжен, как правило, электродвигателями постоянного тока с регулируемой частотой вращения. Это позволяет регулировать проводимость шлаковой ванны, облегчает ее разведение и переход Дугового процесса в шлаковый. Первоначальный прогрев кромок происходит лучше всего при малой скорости подачи электрода.
Рис. 8-52. Аппараты для электрошлаковой сварки:
Л — рельсовые аппараты для сварки проволочным (а) или пластинчатым (б) электродами;
Б — безрельсовый аппарат,
В — подвесной аппарат для сварки плавящимся мундштуком
Наряду с аппаратами для сварки проволочными электродами применяют аппараты для подачи пластин или лент. Рельсовые механизмы подачи пластин (см. рис. 8-52, б) содержат зажимные приспособления для одного или нескольких электродов и суппорт, передвигающийся по направляющей под действием реечного, винтового или иного привода. К суппорту прикреплены зажимные приспособления.
Аппараты для электрошлаковой сварки имеют постоянную скорость подачи, не зависимую от напряжения дуги. Это связано с интенсивным процессом саморегулирования скорости плавления электрода.
Ходовые механизмы вертикального движения. При сварке в нижнем положении собственный вес аппарата обеспечивает
436
Рис. 8-53. Мундштуки для электрошлаковой сварки вертикальных щвов:
/ — трубка направляющая;5 — формирующие ползунки,
2 — токоподвод,6 — электродная проволока,
3 — подающие ролики;7— корректировочный винт
4 — механизм подачи.
необходимое сцепление ведущих бегунков с рельсом или изделием. При сварке вертикальных швов вес аппарата противодействует его движению. Поэтому аппараты для электрошлаковой сварки снабжают специальными механизмами, удерживающими их на вертикальной плоскости и перемещающими вдоль шва со скоростью, соответствующей скорости образования шва. Ходовые механизмы должны обеспечивать надежное и равномерное перемещение по вертикальной плоскости, точное направление аппарата по стыку, возможность регулировки на ходу скорости движения (в зависимости от зазора между кромками), быструю установку на изделии, безопасность в работе и т. п.
В зависимости от способа передвижения ходовые механизмы и, следовательно, сварочные аппараты бывают рельсового типа (рис. 8-52, а), движущиеся по рельсовому пути 7, установленному параллельно свариваемым кромкам 2; безрельсового типа (рис. 8-52, б), движущиеся непосредственно по свариваемому изделию; комбинированные, в которых часть аппарата движется по рельсу, а другая, соединенная с первой гибкой связью, движется по изделию.
Ходовые механизмы могут быть снабжены электрическим приводом Д-1 вертикального движения (автоматическая сварка) либо ручным приводом (полуавтоматическая сварка). Аппараты рельсового типа чаще всего имеют жесткую связь между рельсом и ходовым механизмом. Например, тележка 3 последнего (рис. 8-52, а^ снабжена приводной шестерней 4, которая находится в зацеплении с рейкой 5 рельса. На тележке 3 крепятся все элементы аппарата, в том числе головка и механизм колебания 9.
В числе безрельсовых распространение получили механизмы, в которых связь между тележкой и изделием достигается за счет действия мощной пружины б (см. рис. 8-52), прижимающей
437
Рис. 8-54. Магнитные механизмы вертикального движения
к изделию две тележки 7 и S, расположенные по обе стороны свариваемых листов, или за счет магнитных присосов (рис. 8-54).
Магнитно-шагающие механизмы (рис. 8-54, а) содержат два балансира-магнитопровода 1 и 2, связанные между собой эксцентриком 4, при вращении которого магниты поочередно переступают в направлении сварки. За один оборот переступают оба балансира, а весь механизм передвигается на величину двойного эксцентриситета в. Магнитный поток в системе создается катушкой 3.
Ходовые механизмы с магнитным прижимом (рис. 8-54, в) представляют собой тележку 8 с приводом М, на которую помещен мощный электромагнит 7, создающий усилие, необходимое для удержания аппарата на вертикальной плоскости. Механизм отличается большим весом и чрезвычайно большой чувствительностью к изменению зазора между магнитом и изделием. Иногда ходовые ролики вмонтированы в полюса магнита так, что они замыкают магнитный поток на изделие Вследствие малой площади соприкосновения между роликами и плоскостью изделия такие механизмы развивают относительно малое усилие сцепления. Магнитно-гусеничные механизмы (рис. 8-54, б) удерживаются и перемещаются при помощи башмаков гусениц 6, намагниченных общей катушкой 5, неподвижно прикрепленной к корпусу тележки.
Общим недостатком перечисленных магнитных механизмов является сравнительно малое тяговое усилие, особенно при сварке тонкого металла (вследствие магнитного насыщения) чувствительность к препятствиям, недостаточная безопасность в работе. Сравнение различных типов ходовых механизмов вертикального движения, в том числе тросовых и цепных, позволяет отдать предпочтение ходовым механизмам с пружинным сцеплением и с двусторонним расположением тележек и удерживающих ползунов. Они обеспечивают надежное копирование стыкового
шва и надежное удержание аппарата на вертикальной плоскости
Скорость вертикального движения не является самостоятельным элементом режима сварки, а зависит от площади сечения электрода, скорости его подачи и площади сечения зазора между кромками. Поскольку в процессе сварки возможны изменения зазора между кромками, изменения скорости подачи и другие возмущения, то необходимая скорость вертикального движения восстанавливается путем регулирования частоты вращения привода вручную или автоматически.
Ручное регулирование не гарантирует высокого качества сварного соединения, хотя медленное нарастание отклонений режима сварки позволяет сварщику вмешиваться в ход процесса. Автоматическое регулирование затруднено тем, что нет простых и надежных способов определения уровня металлической ванны относительно края ползуна, поскольку она покрыта слоем расплавленного шлака. Регулирование уровня металлической ванны по электрическим параметрам режима сварки (Псв, /сп) не получило практического применения из-за малой зависимости последних от положения ванны.
Для получения непосредственной информации о положении металлической ванны могут быть использованы дифференциальные термопары 1, впаянные в ползун 2 (рис. 8-55, а) и образующие две встречно-включенные пары: константан—медь и медь—■ константан Один спай располагают выше требуемого уровня металлической ванны, другой ■— ниже. Результирующая э. д. с. пропорциональна разности температур в местах спая и равна нулю, когда уровень металлической ванны находится между точками припайки термопар. Колебания уровня нарушают баланс э. д. с. и выдают через блоки управления БУ сигнал исполнительному механизму на повышение или понижение скорости движения. Регуляторы такого типа чувствительны к интенсивности охлаждения ползуна, расстоянию между электродом и ползуном и к толщине шлаковой корки.
Применяются системы, в которых перед одним из ползунов размещен контейнер с излучателем (например, изотоп ко-
Рис. 8-55. Схемы действия датчиков регулирования уровня металлической ванны
бальта Со60), а на другом, противоположном ползуне, помещена счетная трубка (регистратор). Действие датчика основано на разнице в коэффициентах поглощения у-излучения расплавленными шлаком и металлом. Однако регуляторы такого типа относительно сложны и требуют принятия особых мер безопасности. Известны регуляторы, основанные на изменении магнитной проводимости нагретого металла при достижении точки Кюри, воспринимаемого магнитным датчиком, встроенным в ползун.
Наибольшее распространение получила система, основанная на измерении падения напряжения в расплавленном шлаке между щупом 4 и металлической ванной 3 (рис. 8-55, б). Щуп питается от специального трансформатора. Падение напряжения в шлаке пропорционально расстоянию I и служит сигналом исполнительному механизму. При малом расстоянии между щупом и металлической ванной падение напряжения на щупе незначительно, что вызовет движение аппарата вверх. С увеличением падения напряжения скорость перемещения аппарата уменьшится вплоть до его остановки.
Весьма эффективна система, основанная на сопротивлении металлической и шлаковой ванн вихревым токам, индуктируемым обмотками wv и w2 (рис. 8-55, в). Обмотки выбраны таким образом, чтобы они создавали в среднем стержне встречные, равные по величине потоки. При смещении положения уровня металлической ванны равенство нарушается, вследствие чего в обмотке w3 индуктируется э. д. с., являющаяся сигналом исполнительному механизму.
Механизмы возвратно-поступательного перемещения (колебания) электродов по толщине свариваемого металла. Они служат для обеспечения равномерного проплавления кромок. Применяются механизмы с постоянной скоростью перемещения электрода в разделке и с остановкой его у ползунов и механизмы с равномерно изменяющейся скоростью перемещения электрода (например, по синусоиде). Первые (см. рис. 8-52, поз. 9) содержат, как правило, винтовой или иной привод и концевые выключатели, реверсирующие при каждой половине цикла приводной электродвигатель.
Механизмы с переменной скоростью колебания электрода (минимальной у ползунов и максимальной в средней части зазора) могут перемещать всю сварочную головку или только мундштук с электродом. В механизмах первого типа основным исполнительным органом является кривошипно-шатунный механизм с регулируемым плечом кривошипа и длиной шатуна. Это позволяет изменять колебания электрода и размещение крайних точек относительно изделия. В механизмах с подвижным мундштуком колебание проволоки достигается за счет ее перегиба также под действием кривошипно-шатунного механизма, воздействующего на токоподвод мундштука.
Механизмы с постоянной скоростью перемещения применяют главным образом в аппаратах тяжелого типа для сварки толстого
440
Рис. 8-56. Подвижные и неподвижные формирующие устройства для электро- шлаковой сварки
металла с большим размахом колебаний электрода. Механизмы с переменной скоростью применяют в легких аппаратах для сварки металла относительно небольшой толщины.
Формирующие ползуны. Ползуны служат для удержания шлаковой и металлической ванны до затвердевания последней. Они представляют собой медные, охлаждаемые водой пластины, передвигающиеся вдоль изделия по мере образования шва. В ряде случаев, например при сварке алюминия, применяются графитовые и даже железные ползуны.
Размеры и конфигурация ползунов (рис. 8-56) зависят от типов швов, состояния кромок, качества сборки и теплосодержания ванны. При сварке тонкого металла и при хорошем качестве сборки стыка применяют жесткие ползуны (а, е, ж). При перекосе кромок или превышении одной кромки над другой предпочтительны гибкие ползуны: шарнирные (б), составные (г) или надрез-
441
Рис. 8-57.
Аппарат А-1304 для электро- шлаковой сварки плавящимся мундштуком
ные (в), где имеется независимый прижим к каждой из кромок Существуют ползуны для угловых (<3) и нахлесточных швов или для формирования наплавленного слоя (з, и).
При дуговой сварке вертикальных швов с принудительным формированием, а также при элект- рошлаковой сварке активных металлов ползуны могут быть снабжены устройствами для газовой защиты. Газ для защиты сварочной
ванны подводится через верхний край ползуна. Газовый поток, исключающий подсос воздуха, обеспечивается выбором оптимального направления газовой струи или применением газовых линз.
Выбор.типа аппарата для электрошлаковой сварки. Аппараты для электрошлаковой сварки отличаются способом перемещения, числом и типом электродов, наибольшей толщиной свариваемого металла. Аппараты рельсового типа обладают рядом преимуществ, так как дают возможность отказаться от специальных устройств для выхода аппарата в конце шва, создать установки, в которых рельс, а следовательно и аппарат крепятся к несущей конструкции независимо от изделия (что особенно важно при сварке кольцевых швов), создать наибольшее количество комбинаций узлов при сварке различных швов и изделий. В зависимости от толщины металла применяются одно-, двух- и трехэлектродные аппараты.
При сварке металла толщиной до 100 мм можно обойтись без ряда сложных механизмов, свойственных универсальным аппаратам тяжелого типа. Поскольку наиболее длинные швы встречаются при сварке металла сравнительно небольшой толщины (до 100 мм), для сварки таких изделий целесообразно применять безрельсовые аппараты, перемещающиеся непосредственно по изделию, копируя его при сварке. При этом возможна сварка швов практически любой длины (табл. 8-9).
Аппарат для сварки плавящимся мундштуком содержит только механизм подачи электродов 1 и устройство подвода тока к мундштуку (рис 8-57). Он снабжен стурбциной 2 для закрепления его на свариваемом изделии. Кроме того, в состав аппарата входят токоподвод 3, пульт управления 4 и катушки для проволоки.
442
Таблица 8-9
Технические данные наиболее распространенных аппаратов для электрошлаковой сварки
Аппарат
Наиболь
толщина метатла
Дв ПРИ 773=100% л
Эл
Проволока (диаметр, мм)
ектрод
Пластина (ширина, мм)
ип м/ч
усв м/ч
Габаритные размеры аппарата,
Масса, кг
А-820К
А 433Р
А-535
05
А-612
А-501
А-1150М
А-645
А-1304
А-550У
70 150 450—800
20—100 До 90 8—30
200—450 50—400
До 200
700
1 000
ЗХ 1 000
1 000
750
500
III 1
2 000—6 000
3 000—4 000
IV 71
3 000—10 000
I Ann
2,5-3 3
3
II Anna
3 2,5 2,5—3,5
Аппараты для 3 3—6 кппараты для
араты рельсовогс
85—200
)аты безрельсовс
сварки плавящ
сварки пластин
До 20X2000
типа
58—580
68-353
100—500
го типа
125—500
100—300
гмся мундшт;
60—120
14—306
чатым электр
0 8—10 (2,5—30)
4—15
2,6—17,5
0,4—9
0,4-4
1,0—9
3—10
/ком
ЭДОМ
350X250X650
392X440X800
1600Х820Х 1070
530X370X870
220X280X420
470X220X875
380X440X500
500X400X600
1200Х575Х Хдо 3800
20
75
380
70
25
31,6
35
46
До 440
Механизм подачи позволяет подавать по каналам плавящегося мундштука одну—четыре проволоки Для точной установки мундштука относительно зазора между кромками струбцина 2 обеспечивает аппарату пять степеней свободы. Струбцина электрически изолирована ог аппарата.
Аппарат можно подвешивать над свариваемым изделием или закреплять на консольной или портальной стационарной установке.
§ 8-9. Сварочные и сборочно-сварочные технологические приспособления
В процессе изготовления сварных конструкций должны быть обеспечены заданные технологическим процессом взаимное положение соединяемых деталей и условия, наиболее благоприятные для образования качественного соединения. Это достигается применением технологических приспособлений и оснастки.
Технологические приспособления делятся на сборочные, предназначенные для сборки под сварку и фиксации деталей при помощи прихваток или простейших механических устройств; сварочные, предназначенные для сварки заранее собранных деталей с зафиксированным взаимным положением; сборочно-сварочные, позволяющие совместить операции сборки и сварки.
Тип технологического приспособления выбирают в зависимости от производственной программы (единичное, серийное или массовое производство), конструкции изделия (листовые или решетчатые конструкции, детали машин и др ), технологии и степени точности изготовления заготовок (механическая обработка, газовая резка и т. д ) и технологии сборки и сварки (необходимость в зазорах, допустимые их изменения или допустимые превышения кромок и т д ).
Сварочные приспособления должны допускать свободное перемещение отдельных элементов конструкции вследствие нагрева и последующего остывания зоны сварки, а при необходимости уменьшить или по возможности исключить деформации, возникающие в сварном изделии и в самом приспособлении вследствие температурных воздействий При сварке крупногабаритных конструкций, обладающих малой жесткостью (рамные, решетчатые, листовые), приспособления должны обеспечивать фиксацию отдельных свариваемых кромок, а не всего изделия в целом. При проектировании приспособления необходимо предусмотреть доступ к местам сварки и прихватки, быстрый отвод теплоты от мест интенсивного нагрева, сборку узла с минимального числа установок, свободный доступ для проверки размеров изделия и свободный съем собранного или сваренного изделия.
Технологические приспособления могут быть специализированными (для сварки определенного типа изделий) или универсальными В качестве примера на рис 8-58 показан специализи-
444
гг
г
г
Рис. 8-58.
Специализированный стенд с постоянными фиксаторами для сварки рамных конструкций
рованный стенд для сборки и сварки рамной конструкции. Универсальное приспособление для аналогичных целей (рис. 8-59) содержит ряд плит с пазами В зависимости от конфигурации свариваемого изделия к плите прикрепляют устройства для базирования свариваемых деталей (фиксаторы и т. п ) и для прижатия деталей
к базовым поверхностям (прижимы, стяжки, распорки и т. п.).
В ряде случаев для прижима может быть использован вес свариваемых деталей.
Фиксаторы. Это элементы, определяющие положение свариваемой детали относительно всего приспособления. К фиксаторам (рис. 8-60) относятся карманы (а), упоры: постоянные (б), съемные (в) и откидные (а); установочные пальцы и штыри: постоянные (д), съемные (е); призмы, жесткие и регулируемые (ж) и шаблоны (з).
Рис. 8-59. Универсальные сборочно-сварочные стенды из нормализованных элементов
Съемные упоры применяют в настраиваемых по типу деталей приспособлениях или при сварке деталей, съем которых невоз- может из-за упоров. Как правило, упоры служат и опорными базами, а в некоторых случаях шаблонами для приварки сопряженных деталей. Пальцы или штыри обеспечивают более точную установку деталей и применяются при наличии в деталях обработанных поверхностей. Призмы регулируемые и жесткие применяются для сварки труб, профилей и т. п.
Шаблоны предназначены для фиксирования устанавливаемых при сборке деталей по другим деталям в этом узле или по каким- либо опорным контурам изделия. В этом случае само изделие является несущим элементом приспособления.
Прижимы. Это элементы приспособлений, обеспечивающие прижимы деталей к фиксаторам или другим несущим поверхностям приспособлений. Различают прижимы механические, пневматические, магнитные и гидравлические.
Механические прижимы являются наиболее простыми и поэтому наиболее распространенными (рис. 8-61, а—д). Клиновые прижимы (рис. 8-61, в, г) служат для поджима одного собираемого элемента к другому, для выравнивания кромок и т. д. Аналогично действуют эксцентриковые самотормозящиеся прижимы. Наиболее универсальные прижимы винтовые (рис. 8-61, а, б). Однако их применяют в основном в ручных приспособлениях. Это связано
Рис.^8-61. ПрижимыРис.^8-61. Прижимыс тем, что винты работают на упор и что они не являются быстродействующими. Увеличение шага винта может нарушить его са- мотормозящие свойства и потребовать большие усилия на прижим детали. Пружинные прижимы применяются главным образом для зажатия небольших, тонких деталей.
Рис.^8-61. Прижимы
Рис.^8-61. Прижимы
Наряду с перечисленными применяют комбинированные приспособления (винт с клином, винт с пружиной и т. д ). Рычажные прижимы представляют собой рычаги 1-го и 2-го рода или их комбинацию и используются как усилители приводов зажима. Пример такого рычажного зажима показан на рис. 8-62. На оси 2 стойки 1 имеются ведущий рычаг 3 и промежуточное звено 4, действующие на силовой рычаг 5. Прижим детали осуществляется упором 6.
Пневматические прижимы по сравнению с механическими имеют ряд существенных преимуществ, в том числе быстродействие, возможность управления рядом прижимов с одного места, возможность подвода сжатого воздуха к прижимам, занимающим различное положение в пространстве (через цапфу приспособления или по гибким шлангам), и т. д. Пневматический прижим обладает определенной упругостью, что компенсирует деформации свариваемых деталей.
В качестве рабочего органа прижима могут служить пневмоцилиндры, пневмокамеры и пневмошланги. Пневмоцилиндры
Рис. 8-62. Рычажный прижимРис. 8-62. Рычажный прижимРис. 8-63. Пневматические прижимы
Рис. 8-62. Рычажный прижим
Рис. 8-62. Рычажный прижим
Рис. 8-64. Электромагнитные прижимы:Рис. 8-64. Электромагнитные прижимы:
Рис. 8-64. Электромагнитные прижимы:
Рис. 8-64. Электромагнитные прижимы:
а — общий вид магнита, / — корпус магнита;— сердечник;— днище;— обмотка;— выключатель;а — общий вид магнита, / — корпус магнита;— сердечник;— днище;— обмотка;— выключатель;б—г ~ схемы применения;
а — общий вид магнита, / — корпус магнита;
— сердечник;
— днище;
— обмотка;
— выключатель;
а — общий вид магнита, / — корпус магнита;
— сердечник;
— днище;
— обмотка;
— выключатель;
— скоба;
— электромагнитный стенд;
— упор;
— винтовой прижим
(рис. 8-63, а) могут быть одностороннего или двустороннего действия. Шток цилиндра может действовать непосредственно на фиксируемую деталь или через рычаг. К недостаткам пневмоцилиндров относятся износ уплотнений и громоздкость.
В случаях, когда ход штока невелик, предпочтение заслуживают пневмокамеры (рис. 8-63, б), снабженные вместо поршня резиновой диафрагмой на тканевой основе, зажатой между крышкой и корпусом камеры. Часто в сварочных приспособлениях применяется шланговый прижим (рис. 8-63, в). При подаче воздуха в шланг последний воздействует на опорные поверхности клавишного рычажного прижима. Пневмоприжимы применяют главным образом в массовом и крупносерийном производстве и в высокомеханизированных установках.
Магнитные прижимы отличаются быстродействием, простотой и маневренностью. Их используют для выравнивания кромок (рис. 8-64, в) и прижатия их к флюсовой подушке (рис. 8-64, б). Наиболее распространены электромагниты, хотя в последнее время находят применение и постоянные магниты.
Гидравлические прижимы используют в сварочных приспособлениях довольно редко. По-видимому, перспективны прижимы, построенные на основе гидропластов — вязких смесей, обладающих достаточно высокой текучестью. В отличие от гидравлических прижимов прижимы с гидропластами не требуют сложных и дорогих уплотнений, обеспечивая равномерное распределение прижимающего усилия между плунжерами. Они допускают давление до 500 кгс/см2.
Рис. 8-65. Стягивающее (а) и распорное (б) приспособления:
/ — рычаг основной;
— скоба;
— гайка;
— винт стягивающий;
— рычаг;
— винт зажимной;
— винт распорный;
— основание;
— подпятник
Рис. 8-66. Кондуктор для сварки балок
Стягивающие и распорные приспособления (стяжки, распорки и домкраты). Они предназначены для стягивания при сборке двух или нескольких деталей или узлов, для выравнивания кромок и вмятин, для разжима цилиндров (рис. 8-65).
Сборочно-сварочные приспособления могут быть универсальными или специализированными. На рис. 8-59 показано универсальное приспособление для сварки громоздких и сложных пространственных конструкций.
Для сборки и сварки плоских листовых конструкций служат электромагнитные стенды, представляющие собой плоскую или лекальную постель со встроенными электромагнитами, между которыми расположены флюсомедная или флюсовая подушка с пневматическим прижимом. Электромагниты, расположенные вдоль шва, плотно притягивают кромки стыкуемых листов к сборочному стенду и воспринимают реакцию от давления флюсовой подушки. Расположение магнитов и флюсоподушек определяется раскроем листов и их числом в секции.
На рис. 8-66 показан кондуктор с винтовыми зажимами, применяемый для сборки элементов двутаврового сечения высотой 400—1800 мм. Сварка элементов в этом кондукторе осуществляется сварочным трактором наклонным электродом.
§ 8-10. Механическое и вспомогательное оборудование сварочных установок
Решающее значение для комплексной механизации процесса сварки имеет наличие в составе сварочной установки механического и вспомогательного оборудования. К этому оборудованию относятся приспособления и механизмы: для укладки,
450
Рис. 8-67. Кантователя
наклона и вращения свариваемых изделий (стенды, кантователи, манипуляторы и др.); для крепления и перемещения сварочных аппаратов (рельсовые пути, колонны, тележки и др.); для обслуживания зоны сварки (лифты, балконы, люльки и др.).
Стенды, стеллажи и плиты — простейшие устройства для укладки и фиксации в удобном для сварки положении предварительно собранных под сварку изделий.
Кантователи — стационарные приспособления для поворота свариваемого изделия. Кантователи бывают роликовыми (рис. (рис. 8-67, а) или цевочными. Последние снабжены ведущей звездочкой (рис. 8-67, б). Это позволяет кантовать изделия, центр тяжести которых значительно отдален от оси вращения. Рычажные кантователи (рис. 8-67, в) применяют главным образом для плоских деталей, центровые (рис. 8-67, а) — для сравнительно коротких изделий при повороте их на 360°. Цепные кантователи (рис. 8-67, д) применяют для сварки громоздких изделий большой длины.
Роликовые стенды служат для вращения цилиндрических изделий при выполнении кольцевых швов и для установочных перемещений. Роликовый стенд (рис. 8-68, а) имеет два ряда роликов, из которых один ведущий, другой — холостой. Ведущие ролики снабжены, как правило, резиновыми бандажами. На рис. 8-68, б показан стенд со всеми приводными роликами для вращения изделий с эксцентрично расположенными массами. На рис. 8-68, в Дана схема стенда, применяемого для вращения конических или ступенчатых изделий сравнительно небольшой длины. Он имеет 29*451
только два приводных ролика, расположенных в одной поперечной плоскости. Роликовые стенды бывают стационарными или передвижными.
Манипуляторы — это универсальные, обычно стационарные, приспособления, предназначенные для поворота изделия в процессе работы вокруг вертикальной и горизонтальной осей, а также для наклона его на разный угол к горизонтальной плоскости. Различают установочные и сварочные манипуляторы. Установочные манипуляторы (так называемые позиционеры) служат для установки изделия в удобное для сборки и сварки положение и обеспечивают только
маршевое перемещение.
Сварочные манипуляторы (рис. 8-69) обеспечивают перемещения со сварочной < скоростью. Эксплуатационная характеристика манипулятора определяется его грузоподъемностью (т. е. наибольшим весом изделия при горизонтальном положении стола),
Рис. 8-69.„
Универсальный сварочный манипулятор
наибольшими габаритными размерами изделия и числом степеней свободы его перемещения. При наклоне планшайбы и при смещении центра тяжести изделия величина его допустимого веса снижается. Свариваемые детали крепят к планшайбе при помощи универсальных или специальных приспособлений.
Большинство сварочных установок содержат устройства, позволяющие располагать аппарат над свариваемым изделием (например для сварки кольцевых швов), перемещать его по высоте или в плоскости ит д. На рис 8-2 показана универсальная несущая колонна к сварочным установкам, состоящая из вертикальной штанги, крестообразного суппорта с ручным или механическим приводом и выдвижной консоли, к которой прикреплена сварочная головка. Колонна может быть установлена неподвижно или на тележке
При работе самоходными аппаратами можно использовать горизонтальные рельсовые пути и приспособления, позволяющие выставить рельс параллельно свариваемым кромкам Рельсовые пути бывают стационарными и переносными.
Применение стандартных, централизовано изготовляемых узлов механического сварочного оборудования позволяет легко и в сжатые сроки создавать установки для сварки различных изделий.
§ 8-11. Установки для сварки и наплавки
Установки для сварки и наплавки подразделяют на отдельные группы в зависимости от типа свариваемых швов (продольных, кольцевых, сложной конфигурации), от типа изделий (плоскостных секций, балок, цилиндров, фланцев), от степени комплексной механизации процесса и т. д.
Установки для сварки плоскостных секций из отдельных листов бывают трех разновидностей: 1) с подвесным аппаратом (рис. 8-70), содержащие тележку 2, сварочный аппарат /, кату- чую балку 3, по которой движется тележка и путь 4 для перемещения балки от одного шва к другому. В первую очередь сваривают поперечные швы, после чего всю секцию поворачивают на 90° для выполнения продольных швов. При двусторонней сварке вся секция кантуется; 2) с самоходным аппаратом, в отличие от предыдущих установок отсутствует тележка для перемещения аппарата; 3) со сварочным трактором (рис. 8-71), содержащие только стеллажи для укладки изделий; вместо применения тяжелой катучей балки переход от одного шва к другому осуществляется перекатыванием или переносом легкого сварочного трактора.
Установки для сварки балок могут быть укомплектованы подвесным или самоходным аппаратом, или сварочным трактором. В первых случаях эксплуатация установки усложняется тем, что балку необходимо укладывать очень точно по отношению к рель- 453
Рис. 8-70. Установка с подвесной головкой для сварки плоскостных секцийРис. 8-70. Установка с подвесной головкой для сварки плоскостных секций
Рис. 8-70. Установка с подвесной головкой для сварки плоскостных секций
Рис. 8-70. Установка с подвесной головкой для сварки плоскостных секций
совому пути. Установка со сварочным трактором (см. рис. 8-66) содержит только стеллаж или кантователь для балок.
По такому же принципу могут быть укомплектованы установки для сварки цилиндрических сосудов, позволяющие сваривать как изнутри, так и снаружи сосуда. Вследствие неизбежной некон- центричности обечаек во время сварки кольцевого шва наблюдается перемещение («плавание») точки сварки в пространстве, что приводит к вертикальным и поперечным отклонениям электрода от шва. Это требует ручной корректировки или применения сложных копирующих систем (рис. 8-72). Значительно проще решается задача копирования шва при применении сварочных тракторов. При этом шов сваривается при вращении сосуда на роликовом стенде со скоростью, равной и встречно направленной
по отношению к скорости движения трактора, опирающегося на сосуд. Вследствие этого трактор надежно копирует изделие (см. рис. 8-16).
Круговые швы сосудов малого диаметра сваривают на установках с центровыми вращателями, снабженными подвесными аппаратами. Сварку круговых швов на изделиях типа фланцев,
колес, шестерен целесообразно проводить на станках карусельного типа, снабженных горизонтальными или наклоняющимися планшайбами для закрепления и вращения изделия.
Установки с управляемым циклом сварки представляют собой группу более совершенных установок, предназначенных для се
рийного или массового производства. Такие установки обеспечивают движение электрода по сложной траектории, задают последовательность наложения нескольких швов на одном изделии и т. д. Различают установки с заранее
Рис. 8-71. Установка с трактором для сварки плоскостных секций
Рис. 8-72. Установка с роликовым вращателем для сварки продольных и цилиндрических швов сосудов
обусловленной программой управления и установки, в которых программа управления зависит от факторов, изменяющихся в процессе сварки.
В качестве примера приведены несколько установок первого типа: в установке для сварки изделий со швами сложной конфигурации (рис. 8-73) изделие зажато в плавающем кондукторе 1, снабженном копирным шаблоном 4, конфигурация которого соответствует конфигурации шва. При движении головки вдоль шва связанный с ней копирный шаблон поворачивает ролик 3 вместе с кондуктором и изделием. Таким образом, соблюдается постоянство вылета электрода, а сварочная ванна занимает положение, близкое к горизонтальному.
Установка для сварки корпусов шахтерских ламп (рис. 8-74) выполняет без перерыва два кольцевых и один продольный шов корпуса. Первый кольцевой шов сваривается при неподвижной головке и вращающемся изделии. После окончания этого шва подается сигнал на сварку продольного шва при неподвижном изделии и движущейся головке. Наконец, сваривается второй кольцевой шов. Переключение механизмов происходит автоматически, без обрывов дуги, при помощи системы концевых выключателей.
Установка для наплавки валков блюминга снабжена упрощенным копировальным устройством (рис. 8-75), в котором два движения — вдоль образующей и перпендикулярно ей — осуществляются одним приводом через палец I, упирающийся в связанный с головкой шаблон 2. Головка снабжена двумя суппортами — вертикальным 4 и горизонтальным 5. Она приводится в движение от общего привода 6 через винт 7, шестерни 8 и 9
Рис. 8-73. Установки для сварных изделий со швами сложной конфигурации:
/ — кондуктор;4— копирный шаблон;
2 — ось поворотакондуктора,5— штанга,
3 — ролик;6— ходовой механизм
и рейку 10. При отсутствии сопротивлений по оси X шестерня 8 работает как гайка и перемещает головку вправо. Встретив сопротивление, шестерня поворачивается и при помощи рейки перемещает механизм подачи 3 по вертикали.
Простейшим примером установок второго типа~является установка для сварки кольцевых швов трактором (см. рис. 8-16). Поскольку невозможно добиться равенства скоростей трактора и изделия, сварочная ванна постепенно отклонится от горизонтального положения. Поэтому сварщики заведомо назначают скорость вращения сосуда большую, чем скорость сварки, так чтобы трактор постепенно отставал. Периодически рабочий останавливает вращение сосуда и дает "возможность трактору вернуться в заданное положение. Автоматизация этого процесса достигается при помощи автоматического выключателя наклонного положения (маятникового или ртутного), разрывающего цепь питания электродвигателя вращателя при наклоне трактора на угол, превышающий допустимый.
Другим примером может служить станок для сварки цилиндрических конденсаторов. Оператор закладывает собранный под сварку конденсатор в одно из гнезд многопозиционного стола. В дальнейшем отдельный механизм выставляет деталь на заданный уровень. После загорания дуги включается вращение детали
456
Рис. 8-74. Станок для сварки корпусов Рис. 8-75. Копировальное устрой- шахтерских лампство для наплавки ка
либров прокатных валков
и подача угольного электрода по мере его сгорания. Готовая деталь автоматически выталкивается в приемный лоток.
Сборочно-сварочные установки охватывают большой комплекс производственных операций, так как сборка изделий выполняется с нужной для сварки точностью. Это позволяет отказаться от прихваток, от поиска начала шва и других операций. К сборочносварочному оборудованию могут быть отнесены все сварочные установки, снабженные механизированными сборочными кондукторами, с одинарными и дублированными рабочими местами (где на одном рабочем месте идет сборка, на другом — сварка). В качестве примера более сложных установок можно назвать следующие.
В станке для изготовления кузовов шахтных вагонеток (рис. 8-76) совмещены сварка, сборка и вальцовка боковины вагонетки. На первом этапе кондуктор неподвижен, а движется головка. После окончания прямолинейного участка движение головки прекращается и начинается вращение кондуктора и вальцовка листа. Через пол-оборота после остановки кондуктора возобновляется движение головки.
В станке изготовления стальных шаров (рис. 8-77) питатель подает в зону сварки две полусферы. Задающий нож, к которому
457
Рис. 8-76. Сборочно-сварочный станок для изготовления кузовов шахтных вагонеток:'Рис. 8-76. Сборочно-сварочный станок для изготовления кузовов шахтных вагонеток:'1 — прижим;2 — ходовой механизм3 — сварочная головка;4 — концевой выключатель:1 — прижим;2 — ходовой механизм3 — сварочная головка;4 — концевой выключатель:5 — валки;6 — боковина вагонетки;7 — кондуктор5 — валки;6 — боковина вагонетки;7 — кондуктор
Рис. 8-76. Сборочно-сварочный станок для изготовления кузовов шахтных вагонеток:'
Рис. 8-76. Сборочно-сварочный станок для изготовления кузовов шахтных вагонеток:'
1 — прижим;
2 — ходовой механизм
3 — сварочная головка;
4 — концевой выключатель:
1 — прижим;
2 — ходовой механизм
3 — сварочная головка;
4 — концевой выключатель:
5 — валки;
6 — боковина вагонетки;
7 — кондуктор
5 — валки;
6 — боковина вагонетки;
7 — кондуктор
с двух сторон прижимаются полусферы пневмоприжимами, определяет положение стыка относительно электрода. В дальнейшем нож убирается, полусферы прижимаются друг к другу, включается вращение изделия, и начинается сварка.
Станок для сварки лент в процессе прокатки металла включает операции одновременной обрезки кромок под сварку, их совмещение, поджим формирующей подкладки и сварку. Для этого станок (рис. 8-78) снабжен гильотинным ножом.
Существуют сборочно-сварочные установки для изготовления статоров двигателей, где совмещены операции сжатия пакета и сварки, для изготовления шахтных стоек и др.
Поточные, механизированные и автоматизированные линии позволяют добиться полной комплексной механизации процесса
Рис. 8-77. Сборочно-сварочныйРис. 8-77. Сборочно-сварочныйстанок для изготовления пустотелых шаров:станок для изготовления пустотелых шаров:/ — лоток питателя;2 — патрон;3 — задающий нож;4 — вращатель;5 — пневмоприжим;6 — сварочная головка;/ — лоток питателя;2 — патрон;3 — задающий нож;4 — вращатель;5 — пневмоприжим;6 — сварочная головка;7 — выталкиватель;8 — захват;9 — пневмоцнлиндр поворота задающего ножа;10 — пневмоклапан;// — выталкиватель;12 — коммутатор7 — выталкиватель;8 — захват;9 — пневмоцнлиндр поворота задающего ножа;10 — пневмоклапан;// — выталкиватель;12 — коммутатор
Рис. 8-77. Сборочно-сварочный
Рис. 8-77. Сборочно-сварочный
станок для изготовления пустотелых шаров:
станок для изготовления пустотелых шаров:
/ — лоток питателя;
2 — патрон;
3 — задающий нож;
4 — вращатель;
5 — пневмоприжим;
6 — сварочная головка;
/ — лоток питателя;
2 — патрон;
3 — задающий нож;
4 — вращатель;
5 — пневмоприжим;
6 — сварочная головка;
7 — выталкиватель;
8 — захват;
9 — пневмоцнлиндр поворота задающего ножа;
10 — пневмоклапан;
// — выталкиватель;
12 — коммутатор
7 — выталкиватель;
8 — захват;
9 — пневмоцнлиндр поворота задающего ножа;
10 — пневмоклапан;
// — выталкиватель;
12 — коммутатор
Рис. 8-78. Схема работы станка для сборки и сварки лент в процессе непрерывной прокаткй:
I — протягивание предыдущей ленты, зажимы / подняты;
II — фиксация предыдущей ленты по ползуну 3, ее центровка и зажим, столы 2 раздвинуты;
III — подача последующей ленты, ее центровка;
' IV — зажим последующей ленты;
V — обрезка кромок ножами 5 и 6;
VI — сведение лент столами 2, движущихся по станине 4, и поджим подкладки 7;
VII — сварка головкой 8;
VIII — снятие зажимов / и отвод столов 2;
IX — подъем ползуна 3
изготовления сварных конструкций. Именно линии, а не отдельные машины позволяют достичь наибольшего эффекта в механизации процесса. Такие линии охватывают ряд смежных со сваркой операций, например заготовительных, правильных, формовку, очистку, окраску и др. Линии предусматривают выполнение межоперационного транспорта и контроль качества.
Поточная линия производства труб большого диаметра включает изготовление листовых заготовок, их гибку в гидравлических прессах, сварку наружных, а потом внутренних продольных швов, калибровку труб с помощью гидравлических экспандеров, контроль отделки и сдаточные испытания. Сборка и сварка наружных швов производится на стане, который в процессе сварки обжимает трубу и тем самым плотно прижимает друг к другу свариваемые кромки. В процессе сварки направление электрода по шву осуществляется следящей системой по опорной линии, нанесенной параллельно одной из кромок в процессе изготовления листовой заготовки.
Линия производства крупнопрофильных балок содержит сборочный стан, где собираются пояса и стенка. При этом стенка предварительно растягивается для предотвращения развития
в ней высоких остаточных напряжений и деформаций выпучивания Сварка выполняется при помощи высокопроизводительных трехэлектродных автоматов. Кроме того, линия содержит оборудование для обработки листов и готовой^балки, для их правки, отделки, транспортировки и т. д.
В автоматической линии производства задних мостов легковых автомобилей только заготовки закладывают вручную. В кондукторе эти заготовки сжимаются и прихватываются точечной сваркой. В дальнейшем свариваются два продольных шва и после кантовки моста — еще два шва. Сварка выполняется под флюсом, в связи с чем в линии имеется вибратор для удаления шлаковой корки и система подачи и отсоса флюса.
Существуют линии изготовления деталей вагонов, автомобилей и многие другие.
Технология сварки углеродистых конструкционных сталей
Углеродистыми конструкционными (машиноподелочными, или строительными) называют стали, содержащие 0,1—0,7% С. Углерод определяет прочность этой группы сталей. В углеродистых сталях присутствует также некоторое количество так называемых постоянных (нормальных) примесей, попадающих в металл или специально вводимых в него в процессе производства (плавки) стали. Обычно количество постоянных примесей в углеродистых сталях не превышает (по верхнему пределу) 0,8% Мп, 0,35% Si, 0,04% Р, 0,05% S, 0,05% О2. К постоянным примесям относят также некоторое остаточное содержание водорода и азота.
Помимо постоянных примесей в металле могут находиться в небольшом количестве случайные примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов (медь, мышьяк) или из скрапа (хром, никель). Содержа гие этих элементов обычно не превышает 0,3% Си, 0,08% As, 0,3% Сг, 0,3% №.
Углеродистые конструкционные стали классифицируют по способу изготовления, по качеству и степени раскисленности стали. В сварочной технике их классифицируют также и по содержанию углерода.
Слиток кипящей стали характерен резко выраженной зональной сегрегацией. Неравномерность содержания примесей сохраняется в прокате, где имеются участки металла с повышенным содержанием серы и в меньшей степени фосфора. Места скопления серы называют сульфидными строчками. Представление о неоднородности структуры кипящей стали дает отпечаток распределения сернистых включений по Бауману (рис. 9-1, а). Местная концентрация серы может намного превысить среднее ее содержание и привести к образованию кристаллизационных трещин в металле шва и горячих тре-
Рис. 9-1. Сульфидные включения в стали.Рис. 9-1. Сульфидные включения в стали.а — кипящей;б — спокойнойа — кипящей;б — спокойной
Рис. 9-1. Сульфидные включения в стали.
Рис. 9-1. Сульфидные включения в стали.
а — кипящей;б — спокойной
а — кипящей;б — спокойной
щин в околошовной зоне (рис. 9-2). Опыт эксплуатации сварных конструкций показал, что кипящая сталь, в том числе и мартеновская, склонна к старению в околошовной зоне и к переходу в хрупкое состояние при работе на морозе.
Слиток спокойной стали обычно имеет однородное плотное строение. Вредные примеси — сера, фосфор распределены в нем более равномерно (рис. 9-1, б), чем в слитке кипящей стали. Спокойная мартеновская сталь значительно менее склонна к старению, чем кипящая сталь. При сварке стали, успокоенной алюминием, эффект старения металла околошовной зоны либо вовсе не проявляется, либо проявляется гораздо слабее, чем при сварке кипящей стали.
Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями. Эта сталь раскисляется несколько большим количеством присадок по сравнению с кипящей сталью, благодаря чему обеспечивается меньшее выделение газов при остывании и кристаллизации слитка.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества поставляется по ГОСТ 380—71 и другим стандартам (ГОСТ 5521—67
на сталь для судостроения, ГОСТ 5520—69 на сталь для котлостроения, ГОСТ 6713—53 на сталь для мостостроения). Углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая в соответствии с ГОСТ 380—71,
Рис. 9-2. Трещины в металле шва и околошовной зоне, вызванные сульфидными включениями
подразделяется на три группы: А — поставляемую по механическим свойствам, Б — поставляемую по химическому составу. В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.
В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяется на категории. Сталь группы А имеет три категории, для каждой из которых установлены обязательные показатели и нормы механических свойств. Для сварных конструкций сталь этой группы не применяется. Сталь группы Б подразделяется на две категории. В первой нормируется содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка, азота. Во второй категории дополнительно нормируется содержание хрома, никеля, меди. Сталь этой группы находит ограниченное применение для сварных конструкций. Сталь группы В имеет шесть категорий (табл. 9-1).
Как правило, для сварных конструкций применяют сталь марок ВСт2 и ВСтЗ всех степеней раскисления. Для ответственных конструкций используют спокойные стали группы В наиболее высоких категорий.
Сталь марки СтЗ групп Б и В выплавляется как полуспокой- ная, может содержать обычное (0,4—0,65%) и повышенное (0,8—■ 1,1%) количество марганца. В обозначении марки стали, содержащей повышенное количество марганца, введена буква Г. Стали этого типа также применяют для изготовления сварных конструкций.
Таблица 9-1
Нормируемые показатели стали группы В по ГОСТ 380—71
S
го
X S
о
5
Марка стали
S X
S Я
и
ат
6
О s
° О
^8 го 5 Sa
ан
при температуре, °C
2 о х III
4-20
-20
1
ВСт2—ВСт5
+
+
—
+
+
—
—
—
2
+
+
+
+
+
—
—
—
3
ВСтЗ—ВСт4
+
+
+
+
+
+
—
4
ВСтЗ
+
+
+
+
+
—
+
—
5
6
+
+
+
+
+
—
+
+
+
+
+
+
+
—
—
+
Примечание Знак «4-» обозначает, что показатель нормируется, знак «—» —• показатель не нормируется.
В обозначении стали указаны группа, условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств, степень раскисления, категория стали. Например, ВСтЗсп5 обозначает сталь марки СтЗ группы В, спокойная, категория 5. Обозначение ВСтЗГпс4 расшифровывается как сталь марки СтЗ группы В, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, четвертой категории. Следует отметить, что группа А и первая категория в обозначении стали не указываются.
Углеродистая конструкционная качественная сталь поставляется по ГОСТ 1050—60 и отдельным стандартам, разработанным на основе этого стандарта. К этой же группе условно отнесены стали с повышенным содержанием марганца, микролегиро- ванные бором (в пределах 0,002—0,006%), и сталь марки С (для судостроения) по ГОСТ 5521—67. Механические свойства сталей установлены в зависимости от характера термообработки.
Углеродистую конструкционную сталь применяют для изготовления сварных конструкций в основном в состоянии поставки (горячекатаном) и в меньшем объеме после термообработки (нормализации) и в еще меньшем —• в состоянии после термического улучшения (после закалки и отпуска). Термическое улучшение является весьма эффективным способом повышения прочности стали без снижения пластичности и вязкости. Поэтому ожидается увеличение объема использования для сварных конструкций стали, поставляемой в таком состоянии.
В сварочной технике в зависимости от содержания углерода углеродистые конструкционные стали условно разделяются натри группы: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые. Технология сварки этих сталей различна.
Даже для стали одной марки в зависимости от ее плавочного состава и условий эксплуатации сварной конструкции технология сварки может претерпевать значительные изменения.
§9-1. Низкоуглеродистые конструкционные стали
Краткие сведения о составе и свойствах сталей. К низкоуглеродистым конструкционным сталям, из которых в настоящее время изготовляют большинство сварных конструкций, по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием до 0,25% С. Данные о составе и свойствах некоторых низкоуглеродистых конструкционных сталей, широко применяемых для изготовления сварных конструкций в виде листов и фасонного проката, приведены в табл. 9-2, 9-3 и 9-4. Примерно такой же состав имеют низкоуглеродистое стальное литье и поковки, применяемые для изготовления сварно-литых и сварнокованых конструкций.
Особенности сварки. Низкоуглеродистые стали относятся к числу хорошо сваривающихся металлов. Для этих сталей технологию сварки выбирают из условий обеспечения комплекса тре-
464
Таблица 9-2
Состав низкоуглеродистых сталей, применяемых для сварных конструкций, %
ГОСТ
Марка стали
с
Мп
Si
Р
S
Сг
Ni
Си
As
не более
380—71
' БСт2кп
ВСт2кп
0,09— 0,15
0,25— 0,50
===0,07
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСт2пс
ВСт2пс
0,09— 0,15
0,25— 0,50
0,05— 0,17
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСт2сп
ВСт2сп
0,09— 0,15
0,25— 0,50
0,12— 0,30
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСтЗкп
ВСтЗкп
0,14— 0,22
0,30— 0,60
=50,07
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСтЗпс
ВСтЗпс
0,14— 0,22
0,40— 0,65
0,05— 0,17
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСтЗсп
ВСтЗсп
0,14— 0,22
0,40— 0,65
0,12— 0,30
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
БСтЗГпс
ВСтЗГпс
0,14— 0,22
0,80—
1,10
=50,15
0,04
0,05
0,30
0,30
0,30
0,08
L5521—67
С
0,14— 0,20
0,50— 0,80
0,12— 0,35
0,04
0,04
0,30
0,30
0,30
—
1050—60,
15Г
0,12— 0,19
0,70—
1,00
0,17— 0,37
0,04
0,04
0,25
0,25
—
—
20Г
0,17— 0,24
0,70— 1,00
0,17— 0,37
0,04
0,04
0,25
0,25
—
—
Примечание. Для сталей группы В, выпускаемых по ГОСТ 380—71, не допускается превышение углерода в готовом прокате по сравнению с верхним пределом марочного состава. Для стали марки С по ГОСТ 5521 — 67 и сталей по ГОСТ 1050—60 превышение углерода в готовом прокате допускается на 0,01 % Допускаемые отклонения планочного состава и состава металла готового проката указаны в соответствующих ГОСТах.
бований, главные из которых достижение равнопрочности сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Для этого механические свойства металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом должны быть не ниже минимальных механических свойств основного металла. В ряде случаев с учетом конкретных условий работы конструкции допускается снижение требований к отдельным показателям механических свойств сварного соединения по сравнению с требованиями, предъявляемыми к основному металлу.
В металле швов не должно быть трещин, непроваров, пор, подрезов и других дефектов, они должны иметь требуемые по чер-
30 Заказ № 7834 65
Таблица 9-3
Механические свойства низкоуглеродистых сталей, применяемых для сварных конструкций
гост
Марка стали
"в.
кгс/мм2
От, кгс/мм3, для толщин, мм
6 для толщин, мм
Дополнительные испытания и требования
<20
20—40
40—100
свыше
100
<20
20—40
свыше 40
Не менее
380—71
ВСт2кп
33—42
22
21
20
19
33
32
30
Изгиб на 180° (а — толщина образца, d —■ диаметр оправки), для толщин до 20 мм для стали Ст2 d = 0 (без оправки), для стали СтЗ d = 0,5 а, для толщин свыше 20 мм диаметр оправки увеличивается на толщину образца
ВСт2пс
ВСт2сп
34—44
23
22
21
20
32
31
29
ВСтЗкп
37—47
24
23
22
20
27
26
24
ВСтЗпс
ВСтЗсп
38—49
25
24
23
21
26
25
23
ВСтЗГпс
38—50
25
24
23
21
26
25
23
5521—67
С горячекатаная или нормализованная
41—50
24
—
—
—
24
—
—
Изгиб на 120°, d — 2а и догиб на 180° без поломки, 30% волокна в изломе при статической нагрузке
1050—60
15Г нормализованная
42
Для толщин до 80 мм
25|26
Относительное сужение для стали 15Г — 55%, для стали 20Г — 50%
20Г нормализованная
46
28
24
Таблица 9-4
Ударная вязкость стали марки ВСтЗ категорий 3, 4, 5, 6 и стали марки С
О о
S го
СХ ё
Вид проката
4) О ” я § я
о го с
Ч о
2 m я
So £
2 2
&
ан, кгс м/см2 не менее
при темпе ратуре °C
3 ° ГС
2 о s я л
и г го
4-20
-20
7
ВСтЗпс
ВСтЗсп
Листовая сталь
Широкополосная сталь
Сортовой и фасонный прокат
Поперек
Вдоль
»
5—9 10—25 26—40
5-9 10—25 26—40
5—9 10—25 26—40
8
7
5
10
8
7
10
9
7
4
3
5
3
5
3
4
3
5
3
5
3
со
ВСтЗГпс
Листовая сталь
Широкополосная сталь
Сортовой и фасонный прокат
Поперек
Вдоль
»
5—9 10—30 31—40
5-9 10—30 31—40
5—9 10—30 31—40
8
7
5
10
8
7
11
10
9
4
3
5
3
5
3
4
3
5
3
5
3
04 LQ Ю
С горячекатаная или нормализованная
Листовая и фасонная сталь
Поперек
16—20
—
—
—
Примечания 1 Допускаемые отклонения механических свойств указаны в соответствующих ГОСТах
2 Ударная вязкость стали марки С не менее 3 кгс м/см2 при температуре —40° С
тежу размеры и форму. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние (см § 34) Изменение формы и размеров (деформация) конструкции должно находиться в допустимых, не отражающихся на ее работоспособности пределах
В некоторых случаях дополнительно вводят требования высокой коррозионной стойкости сварных соединений, их работоспособности в условиях вибрационных и ударных нагрузок, повышенных или пониженных температур и другие специальные требования
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, определяемой химическим составом, условиями остывания сварной конструкции и термообработкой. При сварке низкоуглеродистой стали металл шва незначительно 30*467
отличается По составу от основного металла. Это отлиЧие в Основном сводится к снижению содержания в металле шва углерода (так как металл электродного стержня или электродной проволоки содержит меньше углерода, чем основной металл) и повышению содержания марганца и кремния (табл. 9-5).
Снижение прочности металла шва вследствие уменьшения содержания в нем углерода при дуговой сварке полностью компенсируется за счет увеличения скорости его остывания и легирования металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. В сварочной практике обеспечение равнопрочности металла шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали не вызывает затруднений. При электрошлаковой сварке для обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом обычно применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2.
Остановимся несколько более подробно на влиянии скорости остывания на механические свойства металла шва. Изменение скорости остывания вызывает изменение количества и строения перлитной фазы (рис. 9-3), что существенно сказывается на механических свойствах металла шва (рис. 9-4). Увеличение скорости остывания приводит к возрастанию предела текучести и временного сопротивления и к снижению относительного удлинения и относительного сужения металла шва. Под влиянием скорости остывания изменяется также ударная вязкость металла шва (рис. 9-5). Увеличение скорости остывания приводит к уменьшению ударной вязкости при комнатной температуре. Однако критическая температура перехода в хрупкое состояние практически не изменяется.
Скорость остывания металла шва определяется толщиной свариваемого металла, режимом сварки и начальной температурой
Таблица 9-5
Средний состав металла шва, полученного на стали ВСтЗ низкоуглеродистой сварочной проволокой, %
Металл
с
Si
Мп
S
р
Сталь ВСтЗкп
0,14— 0,22
Следы
0,40— 0,65
До 0,050
До 0,040
Сталь ВСтЗсп
Металл шва при сварке под
0,14— 0,22
0,12— 0,30
0,45— 0,65
» 0,050
» 0,40
флюсом
Металл шва при сварке по-
0,12— 0,18
0,15— 0,40
0,65— 0,75
0,016— 0,045
0,012— 0,050
крытыми электродами
Металл шва при электро-
0,08— 0,13
0,20— 0,25
0,30— 0,90
До 0,030
0,Oil- О.030
шлаковой сварке . . . .
0, Io- О.16
0,07— 0,16
0,45— 0,60
0,017— 0,04
0,013— 0,041
Рис. 9-3. Микроструктура металла шва; X 450:
а — при высокой скорости остывания;
б — при низкой скорости остывания (автоматическая сварка под флюсом, химический состав металла шва: 0,11% С, 0,8% Мп, 0,25% S1)
изделия. Изменение механических свойств металла шва связано не только со скоростью остывания, но и с пластической деформацией, возникающей в нем под воздействием сварочных напряжении и вызывающей заметное повышение предела текучести.
Влияние скорости остывания в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов, а также последнего слоя многослойных стыковых и угловых швов на толстом металле при перерыве между наложением отдельных слоев, во время которого металл шва предыдущего слоя успел остыть до температуры окружающей среды. При однослойной сварке стыковых швов с увеличением толщины основного металла для
Рис. 9-4. Зависимость механических свойств металла шва от скорости остывания (С. А. Островская)Рис. 9-4. Зависимость механических свойств металла шва от скорости остывания (С. А. Островская)Рис. 9-5. Зависимость ударной вязкости металла шва от скорости остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита:Рис. 9-5. Зависимость ударной вязкости металла шва от скорости остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита:/ — 12‘ С/с;/ — 12‘ С/с;2 — 35* С/с2 — 35* С/с
Рис. 9-4. Зависимость механических свойств металла шва от скорости остывания (С. А. Островская)
Рис. 9-4. Зависимость механических свойств металла шва от скорости остывания (С. А. Островская)
Рис. 9-5. Зависимость ударной вязкости металла шва от скорости остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита:
Рис. 9-5. Зависимость ударной вязкости металла шва от скорости остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита:
/ — 12‘ С/с;
/ — 12‘ С/с;
2 — 35* С/с
2 — 35* С/с
обеспечения полного провара соединяемых деталей необходимо увеличить силу тока. Поэтому скорость остывания металла шва с увеличением толщины основного металла изменяется мало.
Металл многослойного шва, особенно при сварке покрытыми электродами, обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние, чем металл однослойного шва. Это связано в основном с измельчением структуры металла шва под воздействием теплоты, выделяемой при наложении последующих слоев. Термическое воздействие повторного нагрева сходно с воздействием, оказываемым нормализацией.
При электрошлаковой сварке стыковых швов и угловых швов с полным проваром стенки скорость остывания невелика, поэтому изменение режима не оказывает заметного влияния на механические свойства металла шва.
Для получения при дуговой сварке металла шва, не уступающего по пластическим свойствам основному металлу, сечение углового шва или слоя при многослойной сварке следует назначать в зависимости от толщины свариваемого металла. Зависимость между толщиной металла и режимом сварки, при котором обеспечивается необходимая пластичность металла шва, устанавливается опытным путем и определяется видом и способом сварки.
Механические свойства металла околошовной зоны при сварке низкоуглеродистых сталей претерпевают некоторые изменения по сравнению со свойствами основного металла. Характер этих изменений зависит от конкретных условий сварки. При всех видах дуговой сварки изменение свойств основного металла сводится к его незначительному упрочнению в зоне перегрева. При электрошлаковой сварке на этом участке, как правило, образуется вид- манштеттовая крупнозернистая структура, существенно снижающая ударную вязкость металла. Заметных изменений прочностных свойств металла не происходит. При дуговой сварке образование видманштеттовой структуры на этом участке околошовной зоны наблюдается значительно реже. При сварке стареющих, например кипящих и полуспокойных низкоуглеродистых сталей, на участке рекристаллизации околошовной зоны возможно снижение ударной вязкости металла, что при неблагоприятных условиях может привести к снижению надежности конструкции.
Металл околошовной зоны охрупчивается более интенсивно при сварке многослойными швами, чем при однослойной сварке. Это связано с многократно протекающими процессами старения.
Конструкции из низкоуглеродистой стали в некоторых случаях подвергают термообработке после сварки. Задача термообработки обычно сводится к снятию сварочных напряжений (для чего проводят высокий отпуск конструкции) или к выравниванию свойств и улучшению структуры отдельных участков сварного соединения. Для этого проводят нормализацию конструкции (нагрев до температуры 900—940° С, остывание на воздухе) с последующим высоким отпуском.
Таблица 9-6
Влияние термообработки на механические свойства металла шва при сварке низкоуглеродистой стали
Состояние металла
Последний слой многослойного шва (автоматическая сварка под флюсом)
Электрошлаковая сварка
шва после обработки
S
S
S
S
S
s'
s
S
S
s'
•О
о® si
о"ь2
ID Я
•о
а“й
Сварки
31,4
46,3
25,5
62,2
10,5
32,5
46,7
23,3
56,0
8,2
Отпуска при 660°С
25,7
43,3
33,1
69,9
12,5
31,8
46,3
24,1
56,8
7,9
Нормализации . .
24,0
38,2
35,1
71,2
15,7
30,7
46,4
34,7
57,3
17,9
Отжига
23,0
39,6
35,3
75,5
13,4
—
—
—
—
—
Закалки . . . .
34,9
54,4
24,4
—
8,0
—
—
—
—
—
Примечание Состав металла шва: при сварке под флюсом 0,12% С, 0,75% Мп, 0,22% Si; при электрошлаковой сварке 0,14% С, 0,80% Мп, 0,07% Si.
При дуговой сварке угловых однослойных швов и многослойных швов с перерывом в наложении отдельных слоев все виды термообработки (кроме закалки) приводят к снижению прочностных и повышению пластических свойств металла шва (табл. 9-6). Это обусловлено более медленным остыванием металла шва при термообработке, чем в условиях термического цикла сварки. При сварке однослойных стыковых швов и многослойных стыковых и угловых швов, свариваемых короткими секциями без перерыва между наложением отдельных слоев, влияние термообработки сказывается в меньшей степени. Это связано с меньшей разницей в скоростях остывания при термообработке и при сварке.
При электрошлаковой сварке термообработка, как это видно из табл. 9-6, мало сказывается на прочностных и пластических свойствах металла шва, но приводит (при нормализации) к резкому возрастанию ударной вязкости. Неизменность прочностных и пластических свойств в данном случае определяется близостью скоростей остывания металла шва в условиях термического цикла сварки и при термообработке.
Образование пор, непроваров, подрезов, наплывов и прожогов при сварке низкоуглеродистых сталей рассмотрено в гл. 6. Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми видами и способами сварки плавлением, обладают вполне удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин, что обусловливается низким содержанием в основном металле и, следовательно, в металле шва, углерода. Однако при сварке низкоуглеродистой стали, содержащей углерод по верхнему пределу (0,21—0,25%), возможно образование кристаллизационных трещин главным образом в угловых швах, первом слое многослой-
Положение шва, способ сварки
Ав <А) ПР» диаметре электрода (мм)
4
5
Вертикальное,
160—
220—
сверху вниз
200
270
Нижнее
160—
180—
190
240
Вертикальное,
130—
160—
снизу вверх
150
180
Таблица 9-7Таблица 9-7Рекомендуемые режимы сварки электродами АНО-9Рекомендуемые режимы сварки электродами АНО-9ного стыкового шва, односторонних
Таблица 9-7
Таблица 9-7
Рекомендуемые режимы сварки электродами АНО-9
Рекомендуемые режимы сварки электродами АНО-9
швах с полным проваром кромок и первом слое стыкового шва, сваренного с обязательным зазором. Трещины в этих случаях в большинстве своем связаны с неблагоприятной формой провара (см. § 6-2) и повышенным содержанием углерода.
Низкоуглеродистая сталь сваривается практически всеми видами и способами сварки плавлением.
Сварка покрытыми электродами и порошковой проволокой. Большой объем сварки выполняется вручную покрытыми электродами. В зависимости от прочностных показателей
свариваемой стали и требований к сварной конструкции назначается тип электродов (§ 7-3). Наиболее широкое применение в последние годы для сварки конструкций из низкоуглеродистых сталей получили электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием (АНО-3, АНО-4, ОЗС-4, МР-3 и др.). Эти электроды благодаря более благоприятным гигиеническим характеристикам и высоким технологическим свойствам вытесняют электроды с руднокислым покрытием (ОММ-5, ЦМ7 и др.).
f Для особо ответственных сварных конструкций применяют электроды с фтористо-кальциевым и фтористо-кальциеворутиловым покрытием типа Э42А, например марок УОНИ-13/45 и СМ-11,
обеспечивающие повышенную стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и более высокие пластические свой
ства.
Недостатком электродов УОНИ-13/45 является необходимость проведения сварки только постоянным током (обратная полярность), а также пониженная стойкость против образования в металле шва пор при наличии ржавчины на кромках или увлажнении покрытия. Электроды СМ-11 в отличие от электродов УОНИ-13/45 пригодны для сварки не только постоянным, но и переменным током. "
Широкое применение находят высокопроизводительные электроды с железным порошком в покрытии и электроды для сварки с глубоким проваром (АНО-5 и др.). Данные о составе и свойствах электродов этих типов приведены в §7-3. Для высокопроизводительной сварки вертикальных швов способом сверху вниз используют электроды АНО-9 (тип Э50АФ). Сварку ведут методом опирания, ток переменной или постоянной обратной полярности. Электроды с таким покрытием пригодны также и для сварки в других пространственных положениях (табл. 9-7).
Механические свойства металла швов, сваренных покрытыми электродами, как правило, не уступают основному металлу и в за-
висимости от типа покрытия и от условий сварки изменяются в широких пределах.
Наряду с отечественными марками электродов при сварке низкоуглеродистой стали в СССР применяются зарубежные электроды.
Конструкции из низкоуглеродистой стали подготавливают под сварку в соответствии с общими положениями, приведенными в §5-3. Режим сварки низкоуглеродистой стали выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и типа шва (однослойный, многослойный):
Толщина металла, мм 0,5—1,0 1,1—2,0 2,1—5,0 5,1—10,0 10,1—20,0 Свыше
20,0
Диаметр электро
да, мм . . . . 1,0—1,5 1,5—2,5 2,5—4,0 4,0—5,0 5,0—6,0 6,0—8,0
В табл. 9-8 приведены данные для выбора оптимального значения тока при сварке электродами различных марок и диаметров. Род и полярность тока выбирают исходя из особенностей электродного покрытия. При ручной дуговой сварке низкоуглеродистых сталей на всех практически применяемых режимах обеспечиваются достаточно высокие пластические свойства металла околошовной зоны. Поэтому в большинстве случаев не требуется применения специальных технологических мер, направленных на предотвращение образования на этом участке закалочных структур. Однако при сварке угловых швов на толстом металле и сварке первого слоя многослойного шва рекомендуется предварительный подогрев свариваемых деталей до температуры 120—150° С, что обеспечивает повышение стойкости металла шва против кристаллизационных трещин.
При исправлении дефектных участков швом малого сечения (беглым швом) в связи со значительными скоростями остывания металла этот подварочный шов обладает пониженными пластическими свойствами. Поэтому подварку дефектных участков следует производить швами нормального сечения длиной не менее 100 мм.
Для уменьшения скорости охлаждения перед исправлением дефектного участка рекомендуется местный подогрев примерно до температуры 150° С. Подогрев можно производить любым способом. Менее эффективны последующие местный отпуск или нормализация ремонтировавшегося участка шва. Наличие непереваренных прихваток и мест с подваркой беглым швом резко снижает пластичность металла на этом участке и может привести к понижению эксплуатационной надежности конструкции.
Механизированные способы сварки покрытыми электродами применяются в СССР в ограниченном объеме. Наряду с этим получила распространение полуавтоматическая и автоматическая сварка порошковыми проволоками. Сварка выполняется с помощью серийных полуавтоматов.
473
Таблица 9-8Порошковая проволока
Значение токов при сварка электродамимарки ПП-АНЗ приме-
различных марок и диаметровняетсядля сварки металла
Марка электрода
К
Ч m s aS
(А) при положенииТОЛЩИНОЙ ООЛее 0 ММ (ПО-
шва в пространствеСТОЯННЫИ ТОК, ОбрЭТНЯЯ
5
S 1 о
а ч ® к
HV/^l^ljJllWl ^ )У1 kЛ Лк GI/1Лк Gt
jрактеристика источника
§sпитания). Металл шва со-
g gответствует требованиям,
АНО-З
АНО-4
3
4
5
6
100— 140
170— 200 200—
270 270—
320
90—110
140—
160
150—
170
предъявляемым к элекхро- 100—дам типа Э50А (режимы
12осварки см. на рис. 9-6).
140—Сварка под флюсом.
170Получение равнопрочных
~сварных соединений при
_сварке низкоуглеродистой
стали под флюсом достигается в основном за счет
УОНН-13/45
3
4
5
6
80—110
120—
150
160—
190
190—
230
70—100
100—
130
140—
170
применения высококрем- 7?™100нистых марганцев флюсов
130АН-348-А, ОСЦ-45 и т. п.
—и низкоуглеродистой сва
рочной проволоки Св-08 —и Св-08А. При этом дости
гается высокая стойкость
СМ-11
ДСК-50
3
4
5
6
100—
130
160—
200
200—
240
240—
290
90—110
140—
180
160—
200
металла шва против обра- 90пог
изования кристаллизацион-
140—ных трещин и пор. При
180сварке особо ответствен—ных сварных конструкций
_эти флюсы применяются
в сочетании со свароч- ной проволокой Св-08ГА
(см. гл. 7).
Основной объем работ по автоматической сварке низкоуглеродистой стали выполняется сварочной проволокой диаметром 4 и 5 мм. Для автоматической сварки тонкого металла используется проволока диаметром 0,8—3 мм. Полуавтоматическая сварка выполняется проволокой диаметром 0,8—2 мм.
Сварка стыковых швов. В конструкциях из низкоуглеродистой стали широко применяется сварка стыковых швов без разделки кромок. Увеличение доли основного металла в металле шва,
характерное для этого случая, не является препятствием для применения такой технологии, так как содержание углерода в основном металле невелико. Разделка кромок необходима для улучшения формирования шва и в тех случаях, когда толщина основного металла превосходит толщину, которую можно проплавить без разделки кромок.
Рис. 9-6. Область рекомендуемых режимов сварки порошковой проволокой ПП-АНЗ диаметром 3 мм
Режим сварки стыковых соединений зависит от типа шва (односторонний, двусторонний, однослойный, многослойный), способа подготовки кромок (без разделки кромок, с разделкой кромок, с обязательным за
зором) и от способа удержания сварочной ванны (на флюсовой подушке, на медной прокладке, с ручной подваркой).
При сварке на флюсомедной или стальной подкладке режим
сварки двусторонних швов такой же, а режим сварки односторонних швов отличается несколько большей силой тока (табл. 9-9, 9-10, 9-11).
Таблица 9-9
Типичные режимы автоматической сварки под флюсом стыковых швов на флюсовой подушке без разделки кромок с обязательным зазором
ч
S
л
s s gs ч ,
н ч
S S
о
В
о Е
^ч
<
, в
° s' О. 21
О - Я К и я
2
2
eg
ЕЮ S
С £ к к
3
0—1,5
Односторонний
2
275—300
28—30
26—28
48—50
5
0—2
»
2
400—425
28—30
26—28
38—40
4
575—625
28—30
26—28
48—50
8
2—4
»
5
675—725
32—36
26—28
30—32
8
2—4
Двусторонний
4
650—700
34—38
30—32
35—37
5
625—675
34—38
30—32
35—37
10
2—4
Односторонний
5
700—750
34—38
30—32
28—30
10
1—3
Двусторонний
5
650—700
34—38
30—32
32—34
4
625—675
34—38
30—32
32—34
12
4—5
Односторонний
5
750—800
36—40
30—34
25—27
12
2—4
Двусторонний
5
675—725
36—40
30—34
30—32
4
650—700
36—40
30—34
30—32
14
4—6
Односторонний
5
850—900
36—40
30—34
25—27
14
2—4
Двусторонний
5
700—750
36—40
30—34
28—30
4
675—725
36—40
30—34
28—30
16
5—7
Односторонний
5
900—950
38—42
30—34
20—22
16
2—4
Двусторонний
5
725—775
36—40
30—34
27—29
4
700—750
36—40
30—34
27—29
20
5—7
Односторонний
5
950—1000
40—44
32—36
18—20
20
2—4
Двусторонний
5
775—825
38—42
32—36
22—24
4
750—800
38—42
32—36
22—24
30
6—8
»
5
950—1000
40—44
16—18
40
8—10
»
5
1100—1200
40—44
—
12—14
50
10—12
»
5
1200—1300
44—48
—
10—12
Рис. 9-7. Угловой шов между цилиндрической и плоской деталями
Из табл. 9-12 видно, что металл стыкового шва, сваренного автоматом и полуавтоматом под флюсом, обладает прочностью и пластичностью, равными или превышающими соответствующие свойства основного металла.
Стыковые швы на металле толщиной до
3 мм сваривают проволокой диаметром 0,8—2 мм. Применение тонкой проволоки и постоянного тока позволяет существенно уменьшить силу сварочного тока (7СВ = 80,-ъ 150 А) без снижения стабильности процесса сварки. Снижение мощности дуги приводит к резкому уменьшению объема сварочной ванны и глубины
проплавления основного металла.
Сварка угловых швов под флюсом осуществляется в положении «в лодочку» и в угол (табл. 9-13, 9-14).
При сварке угловых швов с разделкой кромок или при сварке угловых швов, соединяющих элементы прямоугольной формы с цилиндрическими деталями малого диаметра (рис. 9-7), возможно образование кристаллизационных трещин в швах вследствие неблагоприятных условий их кристаллизации. При необходимости выполнения подобных швов рекомендуется сваривать их двумя дугами в раздельную ванну или в два слоя. При сварке в два слоя первый слой следует выполнять на режиме, обеспечивающем минимальный провар основного металла и максимальное значение коэффициента формы провара.
В зависимости от условий сварки механические свойства металла шва, сваренного под флюсом, изменяются в довольно широких пределах. Если необходимо получить металл шва с пластическими прочностными свойствами, близкими к свойствам основного металла, сечение углового шва или слоя (при многослойной сварке) следует назначать в зависимости от толщины свариваемого металла. Опытным путем установлена зависимость между толщиной основного металла и сечением шва или слоя:
Толщина более толстого листа, мм8—1010—2224—60
Сечение части металла шва или слоя, образованного за счет электродного металла, мм2 253550
Сварка в защитных газах. Как правило, сварку низкоуглеродистых сталей проводят в углекислом газе, что обусловлено его малой стоимостью. Сварка в аргоне и его смесях находит пока ограниченное применение.
Для автоматической и полуавтоматической сварки плавящимся электродом в углекислом газе металла толщиной 0,8—3 мм и угловых швов с катетами 1—4 мм при любом пространственном поло- 476
Таблица 9-10
Типичные режимы автоматической сварки под флюсом многослойных стыковых швов
Толщина металла, мм
Эскиз подготовки кромок
Диаметр проволоки,
№ слоя
^СВ’
А
Уд. в
Скорость сварки, м/ч
Переменный ток
Постоянный ток (обратная полярность)
Более 22
7
а)
9°
4
5
1-й
750—800
36—38
33—35
20,0—22,0
4
5
2-й
и последующие
825—875
38—40
33—35
20,0—22,0
Более 17
70°
4
5
1-й
750-800
36—38
33—35
20,0—22,0
4
5
2-й
и последующие
825—875
38—40
33—35
20,0—22,0
5)
Примечания: 1. Вылет электрода 40—50 мм.
Число слоев в зависимости от толщины металла — до полного заполнения разделки, но не менее двух слоев с каждой стороны.
Первые два слоя сваривают на флюсовой подушке.
Толщина металла,
Диаметр проволоки, мм
Постоянный ток (обратная полярность)
Переменный ток
Примечание
а
^д’ В
о*, м/ч
"св- м/ч
'св- А
"д-В
о*, м/ч
"св- м/ч
3
1,6
2,0
180—190
190—200
24—26
26—28
100—105 80—85
30—35
30—35
—
—
—
Сварка на флюсовой подушке
5
1,6
2,0
240—260
260—280
28—30
28—30
170—175
140—145
25—30
25—30
250—275
275—300
30—32
32—34
170—175
140—145
20—25
20—25
8
2,0
420—440
32—34
280—290
25—30
425—450
34—36
280—290
20—30
При зазоре не более 1 мм возможна сварка «на весу»
12
2,0
420—440
32—34
280—290
15—20
425—450
34—36
280—290
15—20
16
2,0
420—440
34—36
280—290
12—16
425—450
36—38
280—290
12—16
Разделка кромок с обеих сторон на глубину 4 мм
478
Таблица 9-11
Типичные режимы полуавтоматической сварки под флюсом двусторонних стыковых швов
* »п — скорость подачи сварочной проволоки.
Механические свойства металла стыкового шва, полученного сваркой под флюсом АН-348-А
Металл
ат.
кгс/мм2
ств’ кгс/мм2
6, %
йн при 20° с, кгс м/см2
ВСтЗспЗ
Металл шва
Не менее
25 25—35
38—49
44—50
Не менее
26 25—30
Не менее 7
8—14
жении шва применяют сварочную проволоку диаметром 0,5— 1,4 мм. Сварку проволокой диаметром 1,4—4 мм ведут в нижнем положении и применяют для металла средних толщин, а также для заварки дефектов литья.
Для обеспечения необходимых механических свойств металла шва и высокой стойкости его против кристаллизационных трещин и пор при сварке кипящей и спокойной низкоуглеродистых сталей в углекислом газе применяют сварочные проволоки Св-08ГС
Таблица 9-13
Типичные режимы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом угловых швов «в лодочку»
Катет шва,
Диаметр проволоки, мм
/св, А
^•B
усв* м/ч
Переменный ток
Постоянный ток (обратная полярность)
2
360—390
32—34
30—32
26—28
6
3
500—525
34—36
30—32
45—47
4
575—600
34—36
30—32
52—54
2
420—440
32—34
32—34
22—25
8
4
575—625
34—36
32—34
30—32
5
675—725
34—36
32—34
30—32
2
420—440
34—36
32—34
12—15
10
4
650—700
34—36
32—34
23—25
5
725—775
34—36
32—34
23—25
2
420—440
34—36
32—34
8—10
12
4
600—650
34—36
32—34
18—20
5
775—825
36-38
32—34
18—20
Примечание. Полуавтоматическую сварку выполняют сварочной проволокой диаметром 2 мм
Типичные режимы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом угловых швов в угол
Катет шва, мм
Диаметр проволоки, мм
'св’ А
t/д. в
°св’ м/4
4
2
120—200
26—28
28—30
3
350—370
28—30
53—55
2
260—280
28—30
28—30
5
3
450—470
28—30
54—58
4
480—500
28—30
58—60
2
375—400
30—32
28—30
7
3
500—530
30—32
44—46
4
675—700
32—34
48—50
Примечание Постоянный ток обратной полярности или переменный ток.
или Св-08Г2С, легированные кремнием и марганцем. При сварке спокойной низкоуглеродистой стали применяют также проволоку Св-12ГС (см. §7-1). При сварке низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода, приближающимся к верхнему пределу (0,21—0,25%), следует применять сварочную проволоку Св-08ГС или Св-08Г2С. При сварке проволокой Св-12ГС в этих условиях не обеспечивается необходимая стойкость шва против кристаллизационных трещин.
Серьезное влияние на свойства металла шва оказывает качество углекислого газа. Повышенное содержание в нем водяных паров и воды способствует образованию пор даже при хорошей защите дуги от воздуха и надлежащем количестве кремния и марганца в сварочной ванне (см. §6-4). При применении углекислого газа и сварочной проволоки соответствующего состава поры в швах не образуются. В этом случае отрицательное влияние ржавчины проявляется меньше, чем при сварке под флюсом. При сварке проволокой диаметром 0,5—1,4 мм металл капель в сварочной ванне окисляется в меньшей степени, чем при сварке проволокой диаметром 1,6—3 мм. Поэтому содержание кремния и марганца в шве при проволоке диаметром 0,5—1,4 мм может быть несколько меньшим, чем при проволоке большего диаметра.
Дополнительное легирование проволок для сварки в углекислом газе сильными элементами-раскислителями (титаном, алюминием, цирконием и др.) приводит к уменьшению разбрызгивания при сварке. В настоящее время ведется разработка таких проволок.
Предельные значения тока, напряжения дуги и вылета электрода при сварке в углекислом газе (ток постоянный, полярность обратная)
Показатель
Диаметр проволоки мм
0 5
0 8 ,
I 0
1,2
1,4
I 6
2 0
2 5
Сила тока, А
30—
50—
60—
90—
100—
120—
200—
250—
100
150
180
400
500
550
600
700
Напряжение дуги, В
18—20
18—22
18—24
18—42
18—45
19—46
23—40
24—42
Вылет электрода, мм
6—10
8—12
8—14
10—40
10—45
15—50
15—60
17—75
Устойчивое горение дуги при сварке плавящимся электродом в углекислом газе достигается при плотности тока свыше 100 А/мм2 (табл. 9-15).
При сварке в положениях, отличных от нижнего, применяют только электродную проволоку диаметром 0,5—1,4 мм Значения тока и напряжения дуги должны быть минимальными (17—21 В), однако обеспечивающими устойчивое горение дуги Увеличение напряжения дуги приводит к резкому возрастанию разбрызгивания и нарушению процесса, особенно при сварке горизонтальных швов
Автоматическую сварку в нижнем положении можно выполнять на максимальном токе Полуавтоматическую сварку в нижнем положении выполняют сварочной проволокой диаметром 0,5—2,5 мм при средних значениях тока и минимальном значении
Таблица 9-16
Типичные режимы автоматической и полуавтоматической сварки угловых швов в углекислом газе
S §
о £ S Н S S
S я о-о
Я Яг tX с s
а
Ы 3
gm
<
m
°
О К
«о
S S
о St х к V ° S
& я
1,0—1,3
0,5
1,0—1,2
1
50—60
18—20
18—20
8—10
5—6
1,0—1,3
0,6
1,2—2,0
1
60—70
18—20
18—20
8—10
5—6
1,5—2,0
0,8
1,2—3,0
1
60—120
18-22
16—20
8—12
6—8
1,5—3,0
1,0
1,5—3,0
1
75—150
18—23
16—20
8—12
8—10
1,5—4,0
1,2
2,0—4,0
1
90—180
20—24
14—20
10—15
8—10
3,0—4,0
1,4
3,0—4,0
1
150—250
21—27
20—28
16—22
12—14
5,0—6,0
1,6
5,0—6,0
1
230—360
26—35
26—35
16—25
16—18
5,0—6,0
2,0
5,0—6,0
1
250—380
27—35
28—35
20—30
16—18
Не менее
2,0
7,0—9,0
1
320—380
30—36
20—25
20—30
18—20
катета
2,0
9,0—11,0
2
320—380
30—36
24—28
20—30
18—20
шва
2,0
11,0—13,0
3
320—380
30—36
24—28
20—30
18—20
2,0
13,0—15,0
4
320—380
30—36
24—28
20—30
18—20
31 Заказ № 7^2
481
Типичные режимы полуавтоматической и автоматической сварки стыковых швов в углекислом газе
Толщина металла,
Число слоев
Зазор, мм
Диаметр проволоки , мм
7св’ А
^ в
"св ОДНОГО слоя, м/ч
Расход газа на один
СЛОЙ , л/мин
0,6—1,0
1
0,5—0,8
0,5—0,8
50—60
18—20
20—30
6—7
1,2—2,0
1—2
0,8—1,0
0,8—1,0
70-120
18—21
18—25
10—12
3—5
1—2
1,6—2,0
1,4—2,0
180—320
22—30
20—25
14—16
6—8
1—2
1,8—2,2
2,0
280—380
28—35
18—24
16—18
8—12
2—3
1,8—2,2
2,5
280—450
27—35
16—30
18—20
напряжения, указанных в табл. 9-16 и 9-17. При этом обеспечивается минимальное окисление и разбрызгивание металла.
Сварку стыковых и угловых швов обычно выполняют с перемещением конца электрода (рис. 9-8). Амплитуду колебания конца электрода выбирают в зависимости от требуемой ширины валика, толщины металла и формы разделки кромок. При повышенных зазорах между кромками полуавтоматическую сварку тонкого металла можно производить путем периодических кратковременных выключений подачи проволоки. Перерывы процесса обычно составляют 0,25—0,5 с. При сварке с перерывами ванночка подстуживается и не вытекает через зазор. Вследствие легкости возобновления процесса и кратковременности перерывов дефекты в швах не образуются.
При сварке низкоуглеродистой стали в углекислом газе обеспечиваются вполне удовлетворительные свойства металла шва (табл. 9-18).
При сварке в среде углекислого газа используют также следующие порошковые проволоки: ПП-АН4 и ПП-АН8 диаметром 2,3; 2 и 3 мм. Сварку выполняют при нижнем, наклонном и горизонтальном расположениях на постоянном токе обратной полярности при питании от источников с жесткой внешней характеристикой (для проволоки диаметром 2 и 2,3 мм /св = 180ч-500 А, Пд = 25ч- —47 В).
Проволоку ПП-АН8 диаметром 3 мм можно применять при сварке на переменном токе при большой мощности дуги (/св = 400 4-600 А, ил = 25ч- 38 В). При сварке в углекислом газе порошковой проволокой обеспечивается более пластичный металл шва, улучшается
Рис. 9-8. Перемещение конца электрода при сварке в углекислом газе
Таблица 5-i#
Механические свойства металла швов (не менее)
Марка проволоки по ГОСТ 2246-70
кгс/мм2
кгс/мм2
б, %
У, %
ан, кгс-м/см2 при температуре
—20° С
+20° С
Св-08ГС
30
50
22
50
4,5
10,0
Св-08Г2С . .
40
54
20
48
4,0
9,0
Примечание Ударная вязкость после механического старения при температуре + 20° С 4 кгс м/см2.
формирование и уменьшается разбрызгивание по сравнению со сваркой проволокой сплошного сечения Св-08Г2С.
Получает также применение сварка без защитного газа проволоками сплошного сечения и порошковыми, содержащими нитридообразующие и редкоземельные элементы (титан, алюминий, церий, цирконий и др.). Сварочные проволоки этих марок, например Св-20ГСТЮА и Св-15ГСТЮЦА (ГОСТ 2246—70), легированные церием и цирконием, обеспечивают получение механических свойств металла шва на уровне свойств, обеспечиваемых электродами типа Э50. При сварке в углекислом газе проволокой 20ГСТЮА улучшаются технологические показатели процесса по сравнению с проволокой Св-08Г2С: увеличивается стабильность горения дуги, уменьшается разбрызгивание, а свойства металла шва удовлетворяют требованиям, обеспечиваемым электродами типа Э50.
Сварка неплавящимся электродом в углекислом газе находит ограниченное применение при изготовлении конструкций из стали толщиной 0,3—2 мм. Сталь большей толщины этим способом обычно не сваривают, так как с увеличением размеров сварочной ванны затрудняется защита ее от воздуха, возрастает степень окисления металла шва, ухудшаются его механические свойства и снижается стойкость против образования кристаллизационных трещин. Сварку выполняют угольными или графитовыми электродами на постоянном токе прямой полярности. Сварка на обратной полярности недопустима вследствие науглероживания металла шва. Неплавящимся электродом чаще всего сваривают соединения с отбортовкой кромок.
Низкое содержание марганца и кремния в составе шва, сваренного неплавящимся электродом в углекислом газе, приводит к тому, что прочность соединения обычно составляет 50—70% прочности основного металла. Однако в ряде случаев такие свойства приемлемы.
Для повышения производительности (скорости) сварки наряду с применением многодуговых процессов (см. гл. 3) в последние 31*483
годы находят применение способы сварки с поперечными колебаниями электрода, сварка с заполнением разделки металлическими добавками (рубленой проволокой, металлическими окатышами и т. п.) подогрев вылета электрода проходящим током или током от независимого источника, сварка с высокотемпературным подогревом изделия и т. д. Все перечисленные методы повышения производительности сварки основаны на уменьшении давления дуги на сварочную ванну и повышении давления жидкого металла ванны.
Электрошлаковая сварка. Электрошлаковую сварку применяют при изготовлении конструкций из низкоуглеродистых сталей большой толщины.
Получение равнопрочного соединения при электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали достигается за счет легирования металла шва через проволоку в основном с повышенным содержанием марганца (Св-10Г2), а иногда также и кремния (Св-08ГС).
Для низкоуглеродистой стали с содержанием до 0,18% Сравно- прочность металла шва с основным металлом достигается при сварке проволокой Св-08ГА. Можно вести сварку двумя и тремя проволоками разного состава. Обычно применяют флюсы АН-8 или ФЦ-7.
При сварке кипящей низкоуглеродистой стали высокая стойкость металла шва против образования пор достигается при применении проволоки Св-10Г2 или Св-08ГС. Сварка проволоками
Таблица 9-19
Зависимость механических свойств металла шва от содержания углерода в стали и состава сварочной проволоки
Содержание углерода в свариваемом металле, %
Марка проволоки по ГОСТ 2246—70
Механические свойства металла шва после нормализации нотпуска, не менее
лн металла, кгс м/см2 (надрез Менаже по осн шва)
2 2
2 2
М
в to
после сварки
после отпуска
после нормализации или нормализа
ции и отпуска
О
О
+
О
О
+
и
7
О
До 0,14
Св-08
22,0
38,0
24,0
55,0
1,5
7,0
1,5
7,0
5,0
14,0
Св-10Г2
26,0
42,0
26,0
55,0
1,5
8,0
1,5
8,0
6,0
14,0
0,15—0,20
Св-08
23,0
40,0
24,0
55,0
1,5
7,0
1,5
7,0
4,0
12,0
Св-10Г2
27,0
44,0
22,0
50,0
1,5
7,0
1,5
7,0
5,0
12,0
0,21—0,26
Св-08
26,0
42,0
23,0
55,0
1,0
4,5
1,0
4,5
3,5
8,0
Св-10Г2
30,0
48,0
22,0
50,0
1,0
5,0
1,0
5,0
4,0
10,0
0,27—0,32
Св-10Г2
33,0
54,0
20,0
45,0
0,5
3,0
1,0
3,0
3,0
7,0
0,33—0,40
Св-10Г2
34,0
57,0
18,0
40,0
0,5
2,0
0,5
2,0
2,5
6,0
Рис. 5-3. Влияние скорости охлаждения й содер-
жания углерода на структуру (Г. Гинеман, А. Шредер):
а — крупное зерно (выдержка при туре 1200° С 2 ч),
б — среднее зерно (выдержка при туре Ас3 + Ю° 10 мин),
/ — зернистые структуры,
— видманштеттова структура,
— сетка по границам зерен,
металла
темпера
темпера
4 — перлит с небольшими участками феррита
Св-08ГА и Св-08 не обеспечивает необходимого качества металла шва — шов поражен порами. Данные табл. 9-19 (для сравнения приведены результаты для среднеуглеродистой стали) свидетельствуют о том, что при электрошлаковой сварке (толщина металла более 60 мм, флюс АН-8) обеспечивается равнопроч- ность металла шва и сварного соединения в состоянии как после сварки, так
6)
и после термообработки. Ударная вязкость металла шва и участка перегрева околошовной зоны в состоянии после сварки при комнатной температуре находится на нижнем уровне требований,
предъявляемых к основному металлу, а при температуре ниже комнатной обычно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к основному металлу. Это связано с образованием крупнозернистой видманштеттовой структуры (размер зерен на участке перегрева превышает размеры, предусмотренные шкалой ГОСТ 5639—65). Металл с видманштеттовой структурой обладает пониженной ударной вязкостью и малой стойкостью против перехода в хрупкое состояние.
Образование видманштеттовой структуры зависит от содержания в металле углерода, размера зерна аустенита и скорости остывания металла (рис. 9-9). При средней величине зерна и содержании 0,15—0,35% С образование видманштеттовой структуры происходит при скоростях остывания более 100° С в минуту. При большей величине зерна образование видманштеттовой структуры наблюдается даже при весьма малых скоростях остывания.
При электрошлаковой сварке низкоуглеродистых сталей из-за длительного пребывания металла при температуре аустенизации образуются крупные аустенитные зерна. Это способствует возникновению видманштеттовой структуры даже при малых скоростях охлаждения металла, имеющих место при этом виде сварки. Для видманштеттовой структуры характерно выделение феррита как по границам исходных аустенитных зерен, так и внутри зерна по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям в виде игл-(рис 9-10). Значение ударной вязкости металла электрошлакового шва и участка перегрева околошовной зоны
пределенного неравномерно ипределенного неравномерно иРис. 9-10. Структура металла электро- шлакового шва в состоянии после сварки (низкоуглеродистая сталь); х 150
пределенного неравномерно и
пределенного неравномерно и
на уровне свойств основного металла в большинстве случаев обеспечивается только после нормализации сварной конструкции, приводящей к устранению видманштеттовой структуры и измельчению зерна.
После термообработки шов имеет структуру феррита и сорбитообразного перлита, рас- ориентированного по осям столб
чатых кристаллитов. Размер зерен соответствует номеру 7-8 по ГОСТ 5639—65.
Высокий отпуск не приводит к повышению значения ударной вязкости металла шва и околошовной зоны, так как видманштет- товая структура сохраняется и после отпуска. Некоторое повышение ударной вязкости металла электрошлакового шва достигается путем модифицирования, использования ультразвуковых колебаний, электромагнитного перемешивания, механической вибрации ванны и других приемов. Однако при этом остается нерешенной задача повышения ударной вязкости на участке перегрева околошовной зоны. Поэтому в тех случаях, когда по условиям эксплуатации конструкции необходимо обеспечить высокую ударную вязкость металла шва и околошовной зоны при температурах ниже комнатной, ее следует подвергать общей или местной нормализации с последующим общим отпуском для снятия напряжений.
В последние годы разработаны и находят применение более экономичные, по сравнению с полной нормализацией, приемы повышения ударной вязкости сварного соединения, выполненного электрошлаковой сваркой. К их числу относится сварка с пониженной погонной энергией и сопутствующей нормализацией металла сравнительно небольшой толщины (до 40 мм). Эта нормализация состоит в том, что на участке сварного соединения, остывшем примерно до температуры 500° С, устанавливают дополнительные нагреватели (горелки, индукторы и др.). Перемещаясь со скоростью сварки, они нагревают металл сварного соединения до температуры нормализации. Находит также применение нормализация сварного соединения в интервале более низких температур (Дс3—Дс^.
Для предотвращения образования видманштеттовой структуры при электрошлаковой сварке ведутся также работы по применению основного металла с наследственно мелким аустенитным зерном и по легированию его элементами, снижающими склонность стали к перегреву.
Рис. 9-11. Изменение критической скорости подачи электродной проволоки при электрошлаковой сварке в зависимости от содержания углерода в основном металле (С. А. Островская)
Стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин определяется рядом факторов, подробно рассмотренных в § 33. Из них при электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали решающее значение имеет направление роста столб
чатых кристаллитов, определяемое коэффициентом формы шва. Зависимость между этим коэффициентом и критическим содержанием углерода в металле шва при электрошлаковой сварке совпадает с приведенной на рис. 6-9 в § 33. При коэффициенте формы шва ф = 1,5 трещины возникают уже при содержании в металле шва 0,15% С. При ф = 3 содержание углерода в металле шва при прочих равных условиях может быть повышено до 0,22—0,23% без опасности образования кристаллизационных трещин. Форма сварочной ванны определяется режимом сварки (см. гл. 2). Поэтому для обеспечения высокой стойкости металла шва против образования трещин следует соответствующим образом выбирать режим сварки и в первую очередь скорость подачи электродной проволоки, от которой зависит глубина металлической ванны.
Данные о характере изменения критической скорости подачи
электродной проволоки диаметром 3 мм в зависимости от содер
жания углерода в основном металле при средни значениях напряжения процесса приведены на рис. 9-11. Они относятся к случаю сварки углеродистой конструкционной стали толщиной 60— 200 мм. Содержание марганца, кремния и серы находится в пределах, предусмотренных соответствующими стандартами. Зазор между кромками 25—30 мм. При меньшей толщине металла благодаря особому характеру кристаллизации металла шва (§ 10) величина критической скорости подачи может быть заметно (на 15—25%) повышена. При большей толщине металла скорость подачи должна быть понижена. Степень понижения скорости подачи определяется опытным путем. Для удобства расчета критическая скорость подачи отнесена к 1 мм толщины основного металла.
Выбор режима электрошлаковой сварки обычно ведут по такой схеме. Допустим, необходимо сварить углеродистую сталь с содержанием 0,26% С, толщиной S = 120 мм. Из зависимости, приведенной на рис. 9-11, определяем, что критическая скорость икр подачи электродной проволоки при таком содержании углерода равна 4,25 м/ч на 1 мм. Суммарную скорость подачи электродной проволоки определяют по уравнению
^л = ИкрЗ = 4,25 х 120 = 510 м/ч. (9-1)
Сварку металла толщиной 120 мм можно вести двумя или тремя электродами. Скорость подачи каждой электродной проволоки изл:
=(9-2)
где п — число электродов.
Для нашего случая иэл = 255 м/ч при сварке двумя электродами и иэл = 170 м/ч при сварке тремя электродами. Зная критическую скорость подачи электрода, можно определить скорость сварки исв по уравнению
^ = «кр^.(9-3)
где Fnp— сечение электродной проволоки, мм2; а—ширина зазора, мм.
Для нашего случая при зазоре между свариваемыми кромками, равном 28 мм, и проволоке диаметром 3 мм
усв = 4,25 -^- = 1,1 м/ч.(9-4)
Остальные параметры режима сварки выбирают в каждом отдельном случае в зависимости от условий ведения процесса. Приведенные на рис. 9-11 данные могут служить только для ориентировочного выбора режима и в зависимости от конкретных условий сварки изменяются в некоторых пределах. Выбор числа электродов в зависимости от толщины свариваемого металла производится в соответствии с данными, приведенными в § 3-5.
Ниже для примера приведен применяемый на практике режим сварки прямолинейных и кольцевых швов конструкций, изготовляемых из низкоуглеродистой стали. Указанный режим относится к сварке погонной части кольцевого шва. Сварку участка шва, замыкающего кольцевой шов, ведут при другом режиме.
Зазор между свариваемыми кромками, мм 28±2
Марка проволоки Св-10Г2
Диаметр проволоки,мм 3
Сухой вылет, мм 75±5
Глубина шлаковой ванны (мм) при скорости подачи сварочной проволоки, м/ч: 200 45—40
300 55—50
400 60—55
Скорость поперечного перемещения сварочных проволок (илипроволоки), м/ч30—40
Расстояние от крайнего положения сварочной проволоки до ползуна,мм 7—9
Время выдержки у ползуна (с) при толщине металла
на один электрод: 50 мм 2—3
100 мм 3—4
Расстояние между крайним положением двух соседних Сварочныхпроволок, мм12—Ц
Скорость подачи сварочной проволоки и величина тока:
при толщине металла иа один электрод 50 мм: скорость подачи,м/ч 220—300
сила тока, А 450
при толщине металла на один электрод 80 мм: скорость подачи,м/ч 350—400
сила тока, А 675
Напряжение дуги, В44—48
При выборе режима сварки пластиной или плавящимся мундштуком основное внимание уделяют обеспечению стойкости металла шва против кристаллизационных трещин, обеспечивая оптимальное соотношение между формой шва и содержанием в нем углерода.
§ 9-2. Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали
Краткие сведения о составе и свойствах среднеуглеродистых конструкционных сталей. К среднеуглеродистым конструкционным сталям по классификации, принятой в сварочной технике, относятся стали, содержащие 0,26—0,45% С. Отличие составов среднеуглеродистых от низкоуглеродистых сталей в основном состоит в различном содержании углерода (табл. 9-20 и 9-21). К этой же группе относится сталь с повышенным содержанием марганца (марок ВСт5Гпс, 25Г, ЗОГ и 35Г).
Для стали ВСт4сп ударная вязкость в зависимости от толщины листовой стали при расположении образца для испытания на ударный изгиб поперек направления проката следующая:
Толщина, мм ■ 5—910—25 26—40
ан, кгс-м/см2 764
Для сортовой и фасонной стали ВСт4сп при расположении образца для испытания на ударный изгиб вдоль направления проката эта зависимость следующая:
Толщина, мм 5—910—25 26—40
ан, кгс-м/см2 1097
Очевидно, что различные плавки стали, содержащие углерод по нижнему или по верхнему пределу (например для стали Ст5 0,28 или 0,37% С), отличаются свойствами и имеют различную свариваемость. Однако этого обычно не учитывают при выборе технологии сварки, которую рассчитывают на наиболее высокое для данной марки стали содержание углерода.
Среднеуглеродистые стали находят применение в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций находят применение преимущественно стали 35 и 40.
Сварка среднеуглеродистых сталей. Повышенное содержание углерода предопределяет значительные трудности сварки этих
489
Таблица 9-20
Состав и свойства среднеуглеродистых сталей по ГОСТ 380—71
Марка стали
Содержание, %
Свойства при растяжении, не менее
Изгиб на 180° (л — толщина образца, d — диаметр оправки) при толщине металла до 20 мм
с
Мп
S1
)
*
ат, (кгс/мм2) при толщине металла, мм
д (%) при толщине металла, мм
до 20
20-40
40-100
свыше
100
до 20
20-40
свыше 40
БСт4кп
ВСт4кп
0,18—0,27
0,4—0,7
Не более 0,07
41—52
26
25
24
23
25
24
22
d = 2а
БСт4пс
ВСт4пс
0,18—0,27
0,4—0,7
0,05—0,17
42—54
27
26
25
24
24
23
21
о
БСт4сп
ВСт4сп
0,18—0,27
0,4—0,7
0,12—0,30
42—54
27
26
25
24
24
23
21
БСтбпс
ВСтбпс
0,28—0,37
0,50—0,80
0,05—0,17
50—64
29
28
27
26
20
19
17
d = За
БСтбсп
ВСтбсп
0,28—0,37
0,50—0,80
0,15—0,35
50—64
29
28
27
26
20
19
17
БСтбГпс
ВСтбГпс
0,22—0,30
0,80—1,20
Не более 0,15
46—60
29
28
27
26
20
19
17
Примечания 1. Содержание других элементов не более* 0,04% Р, 0,05% S; 0,30% Сг, 0,30% Ni, 0,30% Си, 0,08% As 2 При испытании иа изгиб металла толщиной свыше 20 мм диаметр оправки увеличивают иа толщину образца.
Таблица 9-21
Состав некоторых среднеуглеродистых сталей по ГОСТ 1050—60, °о
Марка стали
G
Мп
Марка стали
С
Мп
25
0,22—0,30
0,50—0,80
I25Г
0,22—0,30
0,70—1,00
30
0,27—0,35
0,50—0,80
зог
0,27—0,35
0,70—1,00
35
0,32—0,40
0,50—0,80
35Г
0,32—0,40
0,70—1,00
40
0,37—0,45
0,50—0,80
Примечание Содержание кремния 0,17—0,37%, содержание других элементов не более 0,04% Р; 0,04% S; 0,25% Сг, 0,25% NL
сталей. К ним относятся низкая стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом.
Для преодоления этих трудностей и в первую очередь для повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин при всех видах сварки плавлением стремятся снизить содержание углерода в металле шва. Это обычно достигается за счет применения электродных стержней и электродной проволоки с пониженным содержанием углерода и уменьшения доли основного металла в металле шва. Стремятся также обеспечить получение швов с большим значением коэффициента формы и применяют предварительный и сопутствующий подогрев, двухдуговую сварку в раздельные ванны и модифицирование металла шва.
Для сварки среднеуглеродистых сталей чаще всего применяют предварительный подогрев до температуры 250—300° С. За счет предварительного подогрева удается повысить на 0,01—0,02% допускаемое содержание углерода в металле шва, при котором еще не образуются трещины, и предупредить образование закалочных структур в околошовной зоне. Однако сварка с подогревом обладает серьезными эксплуатационными недостатками. Кроме того, чрезмерный подогрев может вызвать образование трещин вследствие увеличения провара основного металла и связанного с этим повышения содержания углерода в металле шва.
Для снижения доли основного металла в металле шва дуговую сварку среднеуглеродистых сталей, как правило, ведут с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Для иллюстрации сказанного на рис. 9-12 показаны угловые швы, сваренные под флюсом на режимах, типичных для сварки низкоуглеродистой (а) и среднеуглеродистой (б) стали.
Рис. 9-12. Типичная форма углового шва при сварке под флюсом стали:
а — иизкоуглеродистой;б — среднеуглеродистой
Для повышения доли электродного металла в металле шва принимают также меры по увеличению коэффициента наплавки. При механизированных способах сварки это
достигается применением сварочной проволоки малого диаметра (2—3 мм) и минимального сварочного тока. Лучшие результаты получаются при постоянном токе прямой полярности. Сварку под флюсом среднеуглеродистых сталей ведут на режимах, не характерных для этого высокопроизводительного способа, в связи с чем он не получил широкого применения при изготовлении конструкций из среднеуглеродистых сталей.
Эффективным и надежным средством достижения равнопроч- ности металла шва при низком содержании в нем углерода служит дополнительное легирование элементами, упрочняющими феррит. При сварке среднеуглеродистых сталей для достижения равно- прочности достаточно дополнительно легировать шов марганцем и кремнием. Для сварки под флюсом применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 и сварочную проволоку Св-08А, Св-08ГА и Св-10Г2. При этом необходимое повышенное содержание в шве кремния и марганца достигается частично путем восстановления их из флюса. Этому способствует применение тонкой проволоки и малых токов, при которых восстановление кремния и марганца протекает более интенсивно.
Для ручной сварки среднеуглеродистых сталей применяют электроды с фтористо-кальциевым покрытием УОНИ-13/55 и УОНИ-13/45, обеспечивающие достаточную прочность и высокую стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Чтобы избежать образования малопластичных и хрупких закалочных структур в околошовной зоне, при сварке среднеуглеродистых сталей следует замедлить остывание изделий путем снижения скорости сварки, предварительного подогрева металла, сварки двумя и более раздвинутыми дугами. Чем больше содержание углерода в стали, тем выше должна быть температура подогрева металла при сварке. Даже при использовании всех указанных приемов сварные соединения на среднеуглеродистой стали чаще всего получаются недостаточно пластичными, так как закалка основного металла в околошовной зоне полностью не предотвращается. Если к сварному соединению предъявляются требования высокой пластичности, то для выравнивания свойств приходится применять последующую термообработку, чаще всего закалку с отпуском.
Технология сварки среднеуглеродистых сталей в углекислом газе, как и сварка их покрытыми электродами и под флюсом,
492
Рис. 9-13. Доля участия основного металла в металле шва при коэффициенте формы металлической ванны: а — большом; б — малом основана на снижении доли основного металла в металле 'шва и обеспечении благоприятной формы провара. В произ
водстве сварка в углекислома)5)
газе для изготовления конструкций из среднеуглеродистых сталей применяется мало.
Благодаря возможности в широких пределах изменять коэффициент формы металлической ванны и медленному остыванию металла околошовной зоны при электрошлаковой сварке создаются благоприятные условия для обеспечения высокого качества сварного соединения среднеуглеродистой стали. Однако при сварке металла, содержащего более 0,3% С, рекомендуется проводить предварительный и сопутствующий подогрев конструкции (особенно при кольцевых швах) до температуры 180—200° С. Высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин обеспечивается при подаче электродной проволоки со скоростью, не превышающей критических значений (см. рис. 9-11).
При электрошлаковой сварке увеличение коэффициента формы металлической ванны, при прочих равных условиях, приводит к увеличению содержания в ней углерода (рис. 9-13). При этом, однако, стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин не снижается, так как одновременно с ростом коэффициента формы металлической ванны растет критическое содержание углерода.
Серьезной задачей при электрошлаковой сварке сталей с содержанием более 0,33% С является обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом. Эта задача частично решается путем применения сварочных проволок Св-10Г2 или Св-12ГС и перехода углерода из основного металла. Содержание углерода в шве доходит до 0,22—0,24%. Однако даже при этом прочностные свойства металла шва находятся на нижнем уровне свойств основного металла (см. табл. 9-19). Для повышения прочности металла шва рекомендуется применять сварочную проволоку, обеспечивающую многокомпонентное легирование. Высокой ударной вязкости металла шва и участка крупного зерна околошовной зоны для сталей этой группы так же, как и для низкоуглеродистых сталей, можно достигнуть пока только нормализацией.
Режим электрошлаковой сварки среднеуглеродистых сталей, кроме скорости подачи проволоки, аналогичен приведенному выше в §9-1. Скорость подачи сварочной проволоки выбирают исходя из данных рис. 9-11. Например, если необходимо сварить
493
металл толщиной 120 мм с 0,35% С, суммарная скорость подачи электродной проволоки составит 324 м/ч (2,7X120). При сварке двумя проволоками скорщ гь подачи каждой из них будет вдвое меньше и составит 162 м/ч. В случае трех проволок скорость подачи каждой из них равна 108 м/ч. При этом достигается высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин при сварке прямолинейных швов и погонной части кольцевых швов. Замыкание кольцевого шва желательно производить с еще несколько меньшей скоростью подачи проволоки и большей температурой сопутствующего подогрева.
При сварке среднеуглеродистой стали плавящимся мундштуком и электродной пластиной режим выбирают в зависимости от состава основного металла. Для примера ниже приведен режим электрошлаковой сварки бандажей цементных печей, изготовляемых из стали 35Л толщиной 300 мм (по данным Г. 3. Волошке- вича и др.):
Марка флюса АН-8
Зазор между свариваемыми кромками, мм 26±2
Марка проволоки Св-10Г2
Диаметр проволоки, мм 3
Число проволок а 4
Толщина плавящегося мундштука, мм 5
Число пластин 3
Скорость подачи проволоки, м/ч 140
Расстояние между проволоками, мм 85
Напряжение сварки, В 40—45
Сила тока, А 1800—2000
Скорость сварки, м/ч 0,5
Глубина шлаковой ванны, мм 40—45
Режим электрошлаковой сварки станины прокатного стана из стали 25Л толщиной 450 и 750 мм электродной пластиной (по данным Ю. Н. Зайцева и Ю. А. Стеренбогена) приведен ниже:
Марка флюса АН-8
Зазор между свариваемыми кромками, мм: низ стыка. 29—31
верх стыка 33—34
Марка электродной пластины10ХГСНД
Число пластин 3
Ширина пластины (мм) при толщине металла, мм: 450 140
750 235
Расстояниемеждупластинами,мм 10—14
Скорость подачикаждойпластины, м/ч 0,9
Сила тока (А) прн толщине металла, мм: 450 700—900
750 . .. 1000—1300
Напряжение сварки, В 34—38
Глубина шлаковой ванны, мм 35—40
После сварки станину подвергают термообработке (нормализации и высокому отпуску). При этом обеспечивается равнопроч- ность сварного соединения с основным металлом. В состоянии после сварки сварное соединение также имеет вполне удовлетворительные механические свойства.
Сварка высокоуглеродистых сталей. К высокоуглеродистым сталям по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием 0,46—0,75% С. Стали такого состава, как правило, не применяют для изготовления конструкций, но широко используют для изготовления деталей машин, подвергающихся наплавке.
Необходимость сварки подобных сталей возникает главным образом при ремонтных работах. Технология их сварки строится на той же основе, что и наплавка (см. гл. 13).
9-3. Термоупрочненные углеродистые стали и стали с защитными покрытиями
Сварка термоупрочненных углеродистых сталей. Применение сталей повышенной прочности представляет значительный интерес с точки зрения уменьшения толщины изделий. Экономически выгодным является использование углеродистых сталей, упрочненных термообработкой с прокатного нагрева.
В Советском Союзе налажено производство термоупрочненной арматуры периодического профиля ATIV—ATVI согласно ГОСТ 10884—71 из среднеуглеродистой стали Ст5 и низкоуглеродистой термоупрочненной стали, имеющей следующие механические свойства: от >30 кгс/мм2; ®в >44 кгс/мм2; б5 >22%; при —40° С ан >3,5 кгс-м/см2; НВ 170—180.
Режимы и техника сварки термоупрочненного металла такие же, как и для обычной углеродистой стали того же состава. Сварочные материалы выбирают с учетом обеспечения равнопроч- ности металла шва с основным металлом. Так, для ручной сварки термоупрочненной стали применяют электроды типа Э50-О, а для термоупрочненной арматуры — типа Э55-Ф. Для сварки под флюсом могут быть использованы проволоки, обеспечивающие повышенные прочностные характеристики металла шва, например Св-10Г2, Св-ЮГСМТ и др.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе можно производить проволокой Св-08Г2С, так как металл шва при сварке этой проволокой имеет повышенную прочность, или же проволокой Св-20ГСТЮА.
Основным затруднением при сварке термоупрочненных углеродистых сталей является разупрочнение участка околошовной зоны, подвергавшегося нагреву до температур 400—700° С. Этот участок имеет более низкую прочность по сравнению со сварным соединением в целом. Чем больше погонная энергия сварки, тем шире зона разупрочнения. В связи с этим для термоупрочненного
495
Таблица 9-22
Режимы сварки термоупрочненной стали
Сварка
Сварочные материалы
А
^■В
исв’
Зона разупрочнения
ширина, мм
дость, НВ
Автоматическая под флюсом
Флюс АН-60, проволока Св-20ГСТЮА 0 2,5 мм
550 (переменный)
40-42
30
1,5
140
Полуавтоматическая в углекислом газе
Углекислый газ, проволока Св-08Г2С или Св-20ГСТЮА 0 1,2 мм
190—200 (постоянный, обратная полярность)
25—27
12
1,0
150
Ручная дуговая
Электроды марки АН0-1 0 5 мм
270
36—38
12—15 *
1,0
150
* Повышенная скорость сварки электродами АНО 1 объясняется высоким коэффициентом наплавки.
металла рекомендуется применять маломощные режимы сварки (q/u = до 5000 кал/см), а также использовать способы сварки с минимальным теплоотводом в основной металл. В качестве примера в табл. 9-22 показано влияние различных способов сварки на разупрочнение околошовной зоны при сварке термоупрочненной стали толщиной 12 мм.
Сварка сталей с защитными покрытиями. В качестве защитных применяют антикоррозионные покрытия марок ВЛ-02 и ВЛ-03, а также покрытия на основе эпоксидно-полиамидных смол с цинковой пылью и поливинилбутерол с добавками алюминия и цинка. Однако наибольшее распространение в настоящее время получило горячее или гальваническое цинкование, обеспечивающее максимальную коррозионную устойчивость. Оцинкованная сталь толщиной до 50 мм применяется для изготовления крупногабаритных конструкций, резервуаров, мостов, телевизионных башен и других объектов, а также в виде труб для сантехнических изделий.
Наибольшее применение имеет оцинкованная сталь толщиной 1,6—6,5 мм. Средняя толщина цинкового покрытия составляет при толщине металла 1,6 мм около 50 мкм, при 3,6 мм — 85—90 мкм, при 6,5 мм и более — 100—НО мкм.
При сварке оцинкованного металла возникает ряд затруднений: 1) пары цинка чрезвычайно токсичны, в связи с чем сварку оцинкованного металла можно производить только при наличии сильной местной вентиляции; 2) при попадании цинка в металл сварочной ванны существует опасность образования дефектов
496
в виде пор итрещин (особенно это относится к Тавровым соединениям).
Чтобы избежать образования дефектов, перед сборкой под сварку кромки пластин следует очищать от покрытия. Удалять цинк можно механически (строганием или абразивной обработкой) или нагревом газовой горелкой. Однако следы цинка остаются. Сборку стыковых и тавровых соединений производят с увеличенным зазором, в 1,5 и более раз превышающим зазор при сварке металла без покрытия. Для дополнительной очистки кромок от следов цинка сварку рекомендуется производить с колебаниями электрода вдоль шва, в связи с чем скорость сварки оцинкованного металла по сравнению со скоростью сварки металла без покрытия уменьшается на 10—20%.
Чтобы повысить стойкость металла шва против образования трещин, при сварке оцинкованного металла рекомендуется снижать содержание кремния в шве за счет применения специальных сварочных материалов.
Для ручной дуговой сварки оцинкованной стали можно применять различные электроды, однако предпочтение заслуживают электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающие минимальное содержание кремния в металле шва. Качество швов обеспечивается такое же, как и при сварке металла без покрытия. В последнее время для этой цели начали применять сварку в углекислом газе и активированной проволокой без дополнительной защиты.
В качестве примера в табл. 9-23 приведены режимы сварки оцинкованной стали толщиной 1,6—13 мм. Металл толщиной до 3 мм сваривали встык в один проход без разделки кромок, металл толщиной 6—13 мм — при V-образной разделке кромок многослойными швами. Качество и механические свойства металла шва при сварке оцинкованной стали практически такие же, как при сварке стали той же марки без покрытия.
После окончания сварочных работ требуется нанести защитный слой на поверхность шва и восстановить его на участке около- шовной зоны, на котором он был нарушен. Защитный слой должен удовлетворять следующим условиям: не требовать высокой квалификации рабочего и сложного оборудования для нанесения; хорошо удерживаться на основном металле; иметь коррозионную стойкость не ниже таковой оцинкованного металла. Представленным требованиям удовлетворяют несколько видов покрытий.
Краска, содержащая не менее 94% цинковой пыли, изготовлена на неомыляемых смолистых синтетических связывающих веществах (полистерин, хлорированный каучук, эпоксидная смола и т. п.). Ее легко наносить кистью, она не стекает на вертикальной плоскости.
Применяют также наплавку цинково-кадмиевыми прутками или цинковой проволокой, содержащей 99,99% Zn. Температура плавления цинково-кадмиевых прутков 270—275° С. Наплавка
32 Заказ № 782 4 9 7
Таблица 9-23
Режимы сварки оцинкованного металла
Толщина металла,
Сварка
Сварочные материалы
Тип соединения
Положение
'св- А
Полярность И род
1,6
Полуавтоматическая в углекислом газе
Проволока Св-18Г2С 0 1 мм, углекислый газ
Стык, тавр
Любое нижнее и вертикальное Любое »
80—100
20
Обратная
Полуавтоматическая без дополнительной защиты
Проволока Св-15ГСТЮЦА 0 0,6—0,8 мм
Стык Нахлестка
60—70
80—90
20—21
20—21
Прямая »
3
00
Полуавтоматическая в углекислом газе
Ручная штучными электродами
Полу автомати ческа я без дополнительной защиты
Проволока Св-08Г2С
0 1 —1,2 мм, углекислый газ
Рутиловые электроды
0 3,25 мм
Рутиловые электроды
0 2,5 мм
Проволока Св-15ГСТЮЦА
0 1 мм
Стык, тавр
» » »»
Стык Нахлестка
Тавр
Нижнее и вертикальное
Нижнее
Любое
Любое
110—150
110—125
90
100—110
120—130
120—130
19—20
21—23
22—23
22—23
Обратная
Переменный То же
Прямая
6—13
Ручная штучными электродами
Рутиловые электроды 0 3,25—4 мм
Рутиловые электроды 0 2,5 мм
Фтористо-кальцевые электроды 0 2,5 мм
Фтористо-кальцевые электроды 0 3,25 мм
Стык
Тавр
Стык, тавр
Стык
Тавр
Нижнее и вертикальное Вертикальное, потолочное Любое
»
НО
120 70—90
70—90
90—120
Переменный То же
»
6
Полуавтоматическая без дополнительной защиты
Проволока Св-15ГСТЮЦА 0 1 мм
Стык Тавр
Любое
110—130
120—140
20—23
22—23
Прямая
производится прутками диаметром 4—10 мм при температуре 300° С. Прутки для восстановления цинкового покрытия изготовляют под различными названиями Re—Golv (Франция), Galvover (Австрия), Golv—weld (США) и др.
Способ восстановления покрытия напылением цинка нашел сравнительно малое применение, так как плохо защищает от локальной эрозии.
Все перечисленные способы восстановления цинкового покрытия обеспечивают хорошие противоабразивные свойства нанесенного слоя, а по коррозионной стойкости не уступают основному покрытию.
9-4. Чугун
В современном машиностроении, станкостроении, металлургической промышленности и т. п. до настоящего времени чугун является одним из основных конструкционных материалов. Простая и дешевая технология изготовления чугунных изделий, хорошие литейные свойства чугуна, его высокая износоустойчивость, малая чувствительность к концентраторам напряжений, способность гасить вибрацию, хорошая обрабатываемость и т. д. способствуют его широкому применению в народном хозяйстве. Вместе с тем чугун не лишен отрицательных свойств — это низкая прочность серого чугуна и, практически полное отсутствие пластичности, обусловленные наличием в металлической матрице структурно свободного графита. Вредное влияние графитных включений уменьшается модифицированием чугуна. Изделиями из модифицированного чугуна во многих случаях заменяют детали из стали.
Сварка прочно заняла место в чугунолитейном производстве, главным образом при ремонте вышедшего из строя оборудования и устранении дефектов чугунных отливок. Однако выполнение сварочных работ связано со значительными трудностями.
К чугунам относятся железоуглеродистые сплавы с содержанием свыше 2% С (рис. 9-14). Чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические При затвердевании доэвтектических чугунов из расплава кристаллизуется структурно свободный аустенит в виде дендритов. Затвердевание заэвтектических чугунов характеризуется выделением в первую очередь высокоуглеродистой фазы — первичного графита или цементита, а затем при более низкой температуре — кристаллизацией эвтектики, состоящей из аустенита и цементита Такая эвтектика называется ледебуритом.
Характер затвердевания чугуна определяется его составом и скоростью охлаждения. Замедленное охлаждение способствует образованию графита, ускоренное охлаждение частично или полностью подавляет выделение графита и способствует образованию цементита. С увеличением скорости охлаждения происходит из- 32*499
Рис. 9-14. Диаграмма состояния системы железо—углерод мельчение графитных выделений вплоть до образования точечного графита, при этом понижается и температура кристаллизации жидкого металла. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения приводит к образованию в структуре чугуна ледебурита. Подобным образом действует легирование чугуна карбидообразующими элементами (хромом, ванадием, молибденом, вольфрамом). Наоборот, повышение содержания элементов-графитизато- ров (углерода, кремния, никеля, алюминия, меди и др ) способствует образованию в структуре чугуна графитных включений.
Охлаждение уже затвердевшего чугуна сопровождается сравнительно небольшими структурными изменениями. В серых и белых чугунах избыточный углерод, выделяющийся из аустенита с понижением температуры, наслаивается на включения графита или цементита. При дальнейшем снижении температуры начинается эвтектоидное превращение аустенита. В результате этого превращения в зависимости от состава чугуна и скорости его охлаждения образуется феррит + графит или же феррит + цементит. Эвтектоидное превращение с образованием свободного графита происходит при очень' малых скоростях охлаждения, обычно лишь в толстостенных отливках. Поэтому часто даже в тех случаях, когда эвтектическое превращение протекает с образованием аустенита и графита, при эвтектоидном превращении продуктом распада является перлит.
При охлаждении с повышенной скоростью аустенит может превращаться в сорбит и троостит. Тот же результат может быть достигнут в случае присадки в чугун карбидообразующих элементов. Некоторые элементы (никель, медь) задерживают распад аустенита на графит и феррит и сильно измельчают перлит. Более того, при увеличении содержания никеля удается получить не только сорбитную и трооститную, но и мартенситную струк-
туру. В нелегированном чугуне это достигает обычно только при его закалке. Легирование чугуна большим количеством сильных аустенитизаторов (никелем, марганцем) приводит к получению аустенитной структуры даже при обычных скоростях охлаждения.
Свойства чугуна, зависящие от структуры, можно изменять в широких пределах.
Классификация чугуна основана на форме и гипе включений графита По этим признакам чугун может быть разделен на четыре группы (табт. 9-24): 1) серый чугун (пластинчатый графит); 2) высокопрочный или магниевый чугун (шаровидный графит), 3) ковкий чугун (графит хлопьевидной формы), 4) белый чуг^н (без включений графита).
Все перечисленные выше чугуны обладают плохой свариваемостью. Наиболее широко сварка применяется при ремонте и восстановлении изделий из серого чугуна. Это объясняется как распространенностью серого чугуна, так и наличием способов его сварки, в том числе и обеспечивающих получение в металле шва чугуна, близкого по свойствам к основному металлу.
Ковкий и магниевый чугуны свариваются преимущественно стальными электродами (железо-никелевыми электродами ЦЧ-4) или же дуговой сваркой в защитных газах тонкой электродной проволокой. Однако пока не решена задача получения металла шва, близкого по составу и свойствам к основному металлу. Поскольку сварку ковкого и магниевого чугунов стальными
Таблица 9-24
Общая характеристика свойств чугуна
Груп па
Важнейшие преимущества
Основные недостатки
1
Хорошие литейные свойства, высокая циклическая вязкость, относительно высокая усталостная прочность, малая чувствительность к надрезам, износостойкость, хорошая об рабатываемость
Малая пластичность и низкая стойкость при ударном приложении нагрузки
2
Большие значения пределов прочности и текучести, заметная пластичность, высокий модуль упругости, умеренная (меньшая чем у стали) чувствительность к надрезам, хорошая циклическая вязкость, хорошая обрабатываемость
Повышенная объемная усадка, склонность к образованию холодных трещин, повышенные требования к шихтовым материалам и плавильным агрегатам
3
Хорошая циклическая вязкость, удовлетворительная пластичность (удлинение)
Длительный цикл термообработки
4
Очень высокая износостойкость, в том числе и при абразивном изнашивании, высокая коррозионная стойкость
Плохая обрабатываемость, пониженные литейные свойства, повышенная хрупкость
электродами во многих случаях производят на тех же режимах и теми же электродами, что и серого чугуна, особенности сварки этих чугунов изложены совместно
Некоторые особенности сварки чугуна. Основные затруднения при сварке чугуна связаны с высокой склонностью к образованию ледебурита и мартенсита в металле шва, что значительно ухудшает его обрабатываемость и увеличивает склонность к образованию трещин.
Для уменьшения опасности появления трещин при применении электродов, дающих наплавленный металл, по составу отличный от чугуна, рекомендуется сварка короткими участками, проковка и другие меры. При сварке чугунными электродами возникают дополнительные трудности, которые обычно связывают с низкой пластичностью шва и большой его склонностью к образованию закалочных структур. Кроме того, на склонность к образованию трещин в сварных швах значительно влияет величина линейной усадки чугуна. Характер и величина линейной усадки в условиях повышенных скоростей охлаждения во многом зависят от химического состава металла. Наименьшую склонность к образованию трещин в одинаковых условиях сварки имеет наплавленный металл с высоким содержанием углерода Именно в таких чугунах величина и интенсивность протекания линейной усадки наименьшие (рис. 9-15).
Величина линейной усадки может служить важным критерием тля оценки склонности чугуна к образованию трещин. При этом определяющее влияние на образование трещин оказывает не аб-
502
оказывает специфическое влия-оказывает специфическое влия-
оказывает специфическое влия-
оказывает специфическое влия-
солютная величина доперлитной усадки, а алгебраическая сумма доперлитной усадки и расширения при эвтектическом и эвтектоидном превращениях, с одной стороны, и интенсивность протекания усадки на этих этапах, с другой.
Не все чугуны свариваются одинаково. Чугуны с грубой структурой, с большими ферритными зернами и крупными графитными включениями, а также большим количеством фосфидной эвтектики свариваются очень плохо. Легирование никелем, титаном, молибденом и некоторыми другими элементами улучшает свариваемость чугуна. Очень плохо свариваются изделия из чугуна, долгое время находившиеся под воздействием водяного пара или высоких температур. Для их ремонта приходится принимать специальные меры. Лучше всего свариваются неокисленные серые чугуны с мелкими включениями графита, содержащие минимальное количество серы и фосфора
Особенности структуры металла шва и околошовной зоны. При анализе структурных превращений, протекающих в чугуне при сварке, следует учитывать значительно большую скорость охлаждения металла по сравнению со скоростью охлаждения крупных отливок. В результате этого влияние некоторых элементов на структуру чугуна и степень графитизации может зна
чительно изменяться.
Графитизирующее действие элементов при сварке значительно слабее, чем при производстве чугунных отливок. Наибольшее графитизирующее действие в условиях сварки оказывает углерод и в меньшей степени кремний. Для предупреждения образования в шве ледебурита необходимо обеспечить повышенное содержание в нем углерода и кремния по сравнению с их содержанием в обычном литейном чугуне (рис. 9-16). Влияние никеля и меди на графитизацию в условиях больших скоростей охлаждения выражено слабо. Такой карбидообразующий элемент как марганец при
содержании его до 1,0—1,2% ние на процесс графитизации Он повышает степень графитизации чугуна при низком содержании углерода и снижает ее при высоком его содержании. Введение в металл шва небольших количеств титана, ванадия и хрома способствует измельчению графита Дальнейшее увеличение содержания этих элементов вызывает образование в швах ледебурита
Рис. 9-16. Структура металла шва с повышенным содержанием углерода и кремния
Изменить условия кристаллизаций, СФейень дисперсностй структурных составляющих, а следовательно, механические и технологические свойства металла шва можно путем введения в металл шва модификаторов. Модифицирование можно рассматривать как воздействие на кристаллизацию металла изменений, вносимых в процесс зарождения и роста центров кристаллизации. Основная идея модифицирования чугуна сводится к такому изменению условий эвтектического превращения, при ^которых образуется графитная эвтектика с наиболее благоприятной формой и распределением графита.
Для получения в шве серого чугуна, не склонного к трещинам, необходимо иметь в сварочной ванне достаточное количество таких элементов, как углерод и кремний, способствующих процессу графитизации и уменьшению линейной усадки. Кроме того, необходимо обеспечить такие условия охлаждения металла, при которых процесс графитизации протекает более полно.
Качество сварного соединения, его механические свойства обрабатываемость и т. п. зависят не только от свойств наплавленного металла, но и от структурных превращений, протекающих в околошовной зоне. В связи с непрерывным изменением температуры в околошовной зоне основой металл претерпевает различные структурные превращения. Основными факторами, влияющими на эти превращения, являются структура и химический состав основного металла; скорость нагрева и охлаждения околошовной зоны; химический состав наплавленного металла.
Наиболее заметные структурные превращения претерпевает так называемый участок неполного расплавления (двухфазная область твердый — жидкий металл). При сварке чугуна без подогрева при скоростях охлаждения более 5° С/с в интервале 300— 500° С у границы сплавления образуются прослойки ледебурита и мартенсита. На образование прослойки ледебурита влияет химический состав сварочной ванны. Применение электродов и сварочной проволоки, содержащих в своем составе никель или такие графитизаторы, как углерод и кремний, способствует уменьшению размера ледебуритной прослойки и в определенных условиях (при соответствующей концентрации этих элементов и режиме сварки) — полному ее устранению (рис. 9-17). Наличие мартенсита в околошовной зоне и ширина мартенситной прослойки не зависят от химического состава электродного металла, а определяются главным образом режимом сварки, т. е. скоростью охлаждения в интервале наименьшей устойчивости аустенита.
Одной из наиболее действенных мер, способствующих предупреждению образования в околошовной зоне ледебурита и мартенсита, является применение предварительного подогрева чугуна перед сваркой.
Способы сварки серого чугуна. При сварке чугуна, ремонте и восстановлении отливок и чугунных деталей к качеству соединения могут предъявляться самые разнообразные требования —
504
Рис. 9-17. Структура металла на границе сплавления с различным содержанием элементов графитизаторов
а — 2,5 —3,0% С, 2,0 — 2 5% Si, б — 4,0 —5,0% С, 4,0 —4,5% Si
от декоративной заварки наружных дефектов до получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом. Для серого чугуна, материала с плохой свариваемостью, естественно, невозможно найти универсальный способ сварки, дающий во всех случаях хорошие результаты. Это и обусловило появление большого количества электродов и способов сварки чугуна. Достижения в области сварки чугуна достаточно широко освещены как в советской, так и в зарубежной литературе.
В зависимости от применяемых сварочных материалов различают: 1) способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле чугуна; 2) способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле стали или железных сплавов с высоким содержанием цветных металлов (меди, никеля и др ). Способы сварки, входящие в каждую из указанных групп, могут быть классифицированы и по другим признакам, например ручная сварка и сварка механизированная; сварка с высоким предварительным подогревом (горячая сварка), с небольшим подогревом (не выше 300—400° С) и без предварительного подогрева (холодная сварка).
Способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле чугуна. При этих способах сварки чугуна необходимо обеспечить не только заданный состав наплавленного металла, но и определенную скорость охлаждения с тем, чтобы избежать образования в металле шва закалочных структур и появления трещин. Поэтому сварку чугунными электродами производят в большинстве случаев с предварительным подогревом изделий. Одним из наиболее распространенных способов сварки, при котором обеспечивается получение в наплавленном металле чугуна, является горячая сварка. Это самый старый способ сварки чугуна, принципиальные основы которого были заложены еще Н. Г. Славяновым.
Горячая сварка чугуна. Изделие подогревается до температуры 600—700° С. Дуговую или газовую сварку производят чугунными электродами. По окончании сварки изделие медленно охлаждают со скоростью не более 50—100° С/ч.
Развитие горячей сварки шло в направлении разработки оптимального состава чугунных электродов, увеличения производительности процесса, совершенствования техники сварки и нагрева. Отличительной чертой горячей дуговой сварки на современном этапе ее развития является применение электродов больших диаметров (12—14 мм) и повышенного сварочного тока (1200—1300 А). Сварку ведут при наличии большой жидкой ванны, что обеспечивает хорошие условия для удаления из расплава газов и неметаллических включений. Производительность сварки на передовых заводах достигает 8—10 кг/ч наплавленного металла. Дуговую горячую сварку применяют преимущественно при исправлении дефектов крупных размеров (площадью свыше 100 см2) на необработанном или не полностью обработанном литье.
Газовая сварка уступает по производительности дуговой, однако в ряде случаев, особенно при ремонте дефектов сравнительно небольших размеров (до 100 см2), применение ее оказывается более целесообразным. Газовой сваркой обычно исправляются дефекты сложных тонкостенных отливок, например блоков автомобильных моторов. В зарубежной практике чаще отдают предпочтение газовой сварке.
Основными недостатками сварки с предварительным подогревом, особенно с высокотемпературным, являются большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков. Однако высокое качество металла делает горячую сварку в ряде случаев единственно возможным способом исправления дефектов. Поэтому вопрос механизации этого процесса имеет важное значение.
Низкотемпературная сварка-пайка чугунной присадкой. Этот процесс появился сравнительно недавно, но уже получил распространение. Расплавляется только присадочный пруток и флюс, основной же металл не доводится до плавления. Подготовленная под сварку поверхность подогревается пламенем газовой горелки до 800—850° С, причем индикатором температуры служит флюс,
Расплавленный присадочный материал (чугун определенного состава) не образует жидкой ванны, наплавка осуществляется отдельными каплями. Способ целесообразно применять для заварки некоторых дефектов, например мелких дефектов на обработанных поверхностях. Недостатками способа являются довольно сложная техника сварки и низкая производительность.
Известны также и другие способы сварки, обеспечивающие в наплавленном металле получение чугуна, как, например, способ сварки чугунными электродами по слою гранулированной шихты, сварка электродами с графитизирующим покрытием и некоторые другие. Однако эти способы не нашли широкого применения из-за сложной техники и нестабильности качества сварки.
Механизированная сварка чугуна порошковой проволокой. В последнее время все чаще при ремонте дефектов отливок предъявляется требование однородности наплавленного металла с основным. Это требование становится особенно актуальным в связи с быстрым развитием химического машиностроения.
Существующие способы ручной дуговой сварки чугуна чугуном часто не могут быть применены, поскольку не обеспечивают требуемого качества и имеют низкую производительность. При разработке нового способа сварки, отвечающего современным требованиям, было установлено, что изменяя состав металла шва, можно избежать образования ледебурита не только в шве, но и на границе сплавления, где тонкий слой жидкого металла не участвует в конвективном перемешивании. Например, если скорость охлаждения металла в интервале температур 1200—1000° С составляет примерно 25° С/с, достаточно иметь в шве 4,5—5% С и 4—4,5% Si, чтобы ледебурит на границе сплавления не появился. Для предотвращения образования мартенсита в сварных соединениях достаточно обеспечить охлаждение металла околошовной зоны со скоростью менее 3,5—4° С/с.
В результате исследований намечен состав наплавленного металла, обеспечивающего отсутствие отбела при сварке как без предварительного подогрева, так и с подогревом. Разработаны составы порошковых проволок, которые позволили не только получить требуемый состав наплавленного металла, но и механизировать процесс сварки. Наплавляемый металл близок по структуре и свойствам к основному металлу. В большинстве случаев дополнительной защиты зоны дуги не требуется.
В настоящее время в промышленности применяют порошковые проволоки марок ППЧ-1, ППЧ-2 и ППЧ-3 соответственно для сварки без предварительного подогрева, с подогревом до температуры 300—400° С и для горячей сварки. Механизированная сварка чугуна порошковой проволокой высокопроизводительна. При наиболее распространенных режимах (скорость подачи проволоки 150—250 м/ч, сила тока 350—450 А, напряжение дуги 32—36 В) наплавляется 4—8 кг металла в 1 ч. При горячей сварке (скорость подачи 450—500 м/ч, сила тока 600—700 А, напряжение
дуги 35—37 В) производительность Возрастает до 15—20 кг/ч наплавленного металла.
Механизированный способ сварки и наплавки чугуна порошковыми проволоками, особенно марок ППЧ-2 и ППЧ-3, нашел широкое применение в машиностроительной и металлургической промышленности. Проволокой ППЧ-2 исправляют дефекты литья с местным или общим подогревом. С помощью этой проволоки заваривают раковины больших размеров, недоливы, сквозные отверстия в толстостенных отливках — станинах, корпусах турбин, шпиндельных барабанах станков и других деталях. Наиболее широкое применение проволока ППЧ-2 нашла в металлургической промышленности при восстановлении чугунных сменных деталей сталеразливочного оборудования (изложниц, поддонов и др.). Проволока ППЧ-3 применяется в станкостроении при горячей заварке раковин станин тяжелых станков и других крупных отливок.
Порошковые проволоки для сварки чугуна имеют сравнительно невысокую стоимость, так как в их состав входят недорогие и недефицитные компоненты. Это обстоятельство, в сочетании с высокой производительностью, обеспечивает низкую стоимость наплавленного металла.
Контактная сварка. Сварка разработана главным образом для соединения чугунных труб и выполняется с оплавлением и предварительным подогревом концов труб с целью предупреждения образования закалочных структур. Структура исходного чугуна оказывает влияние на качество сварки. Удовлетворительные результаты получаются при сварке изделий из чугуна с мелким графитом, например труб центробежной отливки. По качеству сварные соединения не уступают основному металлу. В зоне сварного соединения в ряде случаев не обнаруживается структурно свободный цементит, тогда как до сварки в металле труб он встречается в значительных количествах. Сварные соединения получаются достаточно плотными. Разработаны режимы сварки труб различного диаметра (табл. 9-25). Изготовлены и успешно внедрены на заводах специализированные установки для контактной сварки чугунных труб.
Электрошлаковая сварка. Способ характеризуется применением таких режимов, при которых скорость охлаждения наплавленного металла значительно меньше, чем при дуговой сварке. Отмеченное обстоятельство позволяет успешно использовать этот способ для сварки чугуна. При этом можно обеспечить сварное соединение с хорошей обрабатываемостью и высокими механическими свойствами без предварительного подогрева изделия. В качестве электродов используют пластины и стержни различных размеров, близкие по составу к основному металлу или имеющие несколько повышенное по сравнению с ним содержание элементов графитизаторов. Сварку можно также выполнять не- плавящимся электродом, при этом в качестве присадки исполь- 508
Таблица 9-25
Режимы контактной сварки Труб
Размеры труб, мм
Показатель*
d =50,
d = 100,
d = 100,
6=4-5
6 = 6
б = ю
Вторичное напряжение холостого хода, В
Суммарный припуск на оплавление и
6
6
7,5
подогрев, мм
10
12
20
Суммарный припуск на осадку, мм Скорость перемещения подвижной
3—3,5
3,5
3,5
плиты, мм/с
1,6
1,6
2,0
Усилие осадки, кгс
3,3
50
130
зуют чугунные прутки, стружку и т. д. Может применяться комбинированный способ электрошлаковой сварки: начинают процесс с помощью графитовых электродов, а затем с помощью чугунных прутков или пластин сварку продолжают до полной заварки детали.
Режимы электрошлаковой сварки толстостенных чугунных деталей и режимы заварки дефектов на чугунных отливках выбирают в зависимости от толщины свариваемых заготовок или общих размеров отливок. Так, для электрошлаковой сварки чугунных плит толщиной 100 мм в качестве электродов используют чугунные пластины того же состава, что и основной металл. Рекомендуемый режим сварки: сила тока 600—900 А, скорость подачи электрода 1,8 м/ч, напряжение сварки 36—38 В, зазор между кромками 40—43 мм, сечение пластины 100 X 18 мм. Форма и размер проплавления при электрошлаковой заварке дефектов определяются параметрами режима сварки, в основном силой сварочного тока. Напряжение сварки и длительность предварительного нагрева (/, мин) при массивных деталях мало влияют на ширину и глубину проплавления (табл. 9-26).
В зависимости от размеров дефектов и толщины отливки режим заварки может изменяться в широких пределах.
Несмотря на ряд преимуществ способа электрошлаковой сварки, он не получил широкого применения в промышленности для ремонта и восстановления чугунных деталей. Это объясняется значительной трудоемкостью подготовительных работ, использованием источников питания большой мощности и большим расходом электроэнергии. Совершенствование этого способа в дальнейшем расширит область его применения.
Из всех способов сварки чугуна, дающих в наплавленном металле чугун, наиболее универсальным и обеспечивающим высокое качество сварочных работ является горячая механизированная сварка порошковой проволокой. Широкое применение нашла
509
Таблица §-Йё
Влияние режима электрошлаковой сварки на размеры проплавления чугуна
Режим
сварки
Размеры проплавле-
е Режим
сварки
Размеры проплавле-
НИЯ
ММ
НИЯ
, мм
I св, А
и , В t.
ши-
глу-
! . А
U„, В 11
ши-
глу-
Амин
рина
бина
СВ
Амин
рина
бина
1500
31—34 20
60
25
1350—1500
43—44 20
80
25
1800
31—34 20
90
35
900—1000
41—42 40
85
15
2000—2200
31—34 20
НО
50
900—1000
41—42 60
75
26
1350—1500
29—30 20
83
30
900—1000
41—42 90
92
20
1350—1500
38—39 20
72
24
механизированная сварка порошковой проволокой с предварительным подогревом деталей до температуры 300—350° С Для заварки мелких дефектов перспективным способом является сварка-пайка чугунной присадкой.
Способы сварки, обеспечивающие получение в наплавленном металле стали или железного сплава с высоким содержанием цветных металлов. На протяжении ряда лет ведутся работы по изысканию составов электродов, позволяющих значительно снизить или устранить предварительный подогрев чугунных изделий перед сваркой. Стремятся получить весьма пластичный наплавленный металл, который к тому же не подвергался бы закалке при любых свойственных сварке скоростях охлаждения. Это достигается, с одной стороны, подбором электродного металла с низкой величиной временного сопротивления и, с другой стороны, уменьшением доли основного металла в шве. Особенно важно с точки зрения уменьшения склонности швов к закалке снижение содержания углерода в наплавленном металле. Поскольку очень трудно избежать расплавления основного металла, в качестве электродного металла чаще всего применяют металлы или сплавы, не растворяющие углерод (электроды на основе меди), растворяющие его без образования карбидов (электроды на основе никеля) или же связывающие углерод в трудно растворимые в твердом металле карбиды (электроды с сильными карбидообразующими элементами)
Для уменьшения доли основного металла в металле шва и снижения величины сварочных остаточных напряжений процесс сварки ведут на очень малых режимах (сила тока 90—120 А при диаметре электрода 3 мм), короткими валиками (40—50 мм), с охлаждением детали после наложения каждого валика до температуры 60—70° С. Часто валики проковывают непосредственно после обрыва дуги. Такая техника сварки обусловливает низкую производительность процесса.
Существует очень много марок электродов, обеспечивающих получение в наплавке стали или сплава железа с цветными метал- 510
лами. Рассмотрим наиболее характерные группы таких электродов. На практике часто используют электроды не одной группы, а комбинации электродов нескольких групп, что позволяет улучшить результаты сварки.
Стальные электроды без специального покрытия. Это обычные электроды для сварки низкоуглеродистой стали марок УОНИ-13/45, ОММ-5 и др. Сварку указанными электродами производят в тех случаях, когда не требуется последующая механическая обработка, не оговаривается прочность сварного соединения и т. д. В случае ремонта ответственных изделий с целью получения соединения с высокой механической прочностью применяют добавочное крепление стальными ввертышами. При сварке чугуна стальными электродами без специального покрытия требуется особо тщательное соблюдение техники сварки. Процесс сварки стальными электродами трудоемкий, имеет низкую производительность и требует высокой квалификации сварщика. Возможности способа сварки низкоуглеродистыми электродами значительно расширяются в случае применения отжигающих валиков
Стальные электроды с карбидообразующими элементами в покрытии. К наиболее характерным представителям этой группы относятся электроды ЦЧ-4 и СЧС-ТЗ, содержащие в покрытии титан и ванадий. Поступающий в шов из основного металла углерод связывается титаном или ванадием в труднорастворимые в металле мелкодисперсные карбиды и поэтому в дальнейшем не участвует в фазовых превращениях. Если карбидообразующие элементы находятся в избытке по отношению к углероду, структура шва получается ферритной с включениями мелкодисперсных карбидов. Обрабатываемость наплавок в этом случае вполне удовлетворительная, хотя практически очень трудно избежать зоны повышенной твердости по границе сплавления.
Для связывания углерода предпочтительнее использование ванадия, так как титан энергично соединяется с кислородом и азотом и шов сильно загрязняется неметаллическими включениями. Поэтому большее распространение получили электроды ЦЧ-4, имеющие в покрытии феррованадий. Они в основном применяются для сварки высокопрочного чугуна, а также для ремонта небольших дефектов в отливках из серого чугуна площадью не более 100 см2. Сварку электродами ЦЧ-4 нужно производить так, чтобы ванадий в шве был в избытке по отношению к углероду. В противном случае твердость металла шва превышает твердость мартенсита даже при наличии в структуре ванадиевого перлита. Это влечет за собой снижение обрабатываемости и появление трещин.
Электроды на основе никеля. Такие электроды очень широко распространены и в некоторых случаях не имеют равноценного заменителя.
Никель неограниченно растворим в железе, а никелевый аустенит может содержать много углерода без образования карбидов
и имеет высокую пластичность и низкую твердость Эти особенности никелевого аустенита обусловливают хорошую обрабатываемость сварных соединений чугуна и высокую стойкость швов против образования трещин. Наименьшую склонность к трещинам имеет металл, наплавленный электродами из железо-никелевого сплава, что объясняется его сравнительно низким пределом прочности по сравнению с прочностью чугуна. Все же для полного устранения трещин рекомендуется предварительный подогрев свариваемых изделий до температуры 150—300° С.
При сварке железо-никелевыми электродами близкие к свойствам основного металла механические свойства обеспечиваются только при температуре предварительного подогрева выше 300° С. При меньшем подогреве механические свойства хуже, чем у основного металла. Широкое применение за рубежом получили никелевые электроды с содержанием свыше 90% NL Успешно применяются как в СССР, так и за рубежом медно-никелевые электроды, обычно изготовляемые из монель-металла. Существенным недостатком электродов на основе никеля является их высокая стоимость.
Электроды на основе меди. Медь, как и никель, не образует химических соединений с углеродом. Она практически не растворима в железе. Поэтому при сварке чугуна медными электродами шов получается неоднородным. В медной основе расположены включения высокоуглеродистой железной фазы, часто имеющей мартенситную структуру. Кроме того, по границе сплавления создается зона повышенной твердости вследствие образования ледебурита Поэтому обрабатываемость сварных соединений затруднена. К числу других недостатков следует отнести повышенную склонность к образованию пор, низкую производительность и довольно высокую стоимость электродов.
Медно-стальные электроды различной конструкции получили довольно широкое распространение в основном для ремонта отливок или дефицитных деталей с трещинами. Известны медностальные электроды, в которых вместо низкоуглеродистой применена легированная сталь Примером могут служить аустенитно- медные электроды, изготовляемые из стальной проволоки 0Х18Н9 и медной оболочки. Металл, наплавленный этими электродами, обладает меньшей склонностью к образованию пор и трещин, имеет лучшую обрабатываемость
Как видно из изложенного, в настоящее время имеется большое количество электродов, правильное использование которых в каждом конкретном случае позволяет решать многие выдвигаемые практикой задачи.
Механизированная сварка. К способам механизированной сварки и наплавки чугуна относятся дуговая сварка тонкой стальной проволокой в углекислом газе, автоматическая сварка высокопрочного чугуна под керамическим флюсом и некоторые другие. Наиболее широко применяется дуговая сварка в углекир-
лом газе, поскольку позволяет получать небольшой провар основного металла Состав металла шва, структура и свойства сварных соединений зависят от режима и техники сварки, состава электродной проволоки, размеров изделий и т. д Применяя различные режимы и приемы сварки, можно получить наплавленный металл с требуемой структурой от мартенситной до перлитно- ферритной Лучшие результаты обеспечиваются при сварке проволокой 09Г2СА диаметром 1 мм на режиме: сила тока не более 100—120 А, напряжение дуги 18—21 В, скорость сварки до 12 м/ч. Способ нашел применение для соединения труб из серого чугуна (в сантехнике), при ремонте автомобильных и тракторных деталей, не требующих дальнейшей механической обработки, при сварке высокопрочного чугуна и чугуна со сталью.
33 Заказ № 782
Технология сварки легированных сталейТехнология сварки легированных сталей
Технология сварки легированных сталей
Технология сварки легированных сталей
§ 10-1. Состав и свойства низколегированных сталей
По принятой классификации низколегированной называется сталь, легированная одним или несколькими элементами, если содержание каждого из них не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих не превышает 5%. Низколегированные стали, применяемые для изготовления сварных конструкций, делят на три основные группы: низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, низколегированные теплоустойчивые стали и низколегированные среднеуглеродистые стали.
Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, предназначаемые для сварных конструкций, поставляют в основном в горячекатаном или нормализованном состоянии. Ряд сталей применяют в термоулучшенном состоянии (после закалки и отпуска), что дает возможность повысить их прочность и стойкость против хрупкого разрушения. Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,23%. Стали этого типа легируют рядом элементов, например марганцем, хромом, кремнием, ванадием и др., что приводит к некоторому повышению их прочности. Поэтому их часто называют низколегированными сталями повышенной прочности.
В зависимости от легирования стали рассматриваемого типа подразделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцови- стые и др. Расширяется применение стали повышенной прочности на основе нитридного упрочнения, например с ванадием и азотом (стали 15Г2АФ, 18Г2АФ), а также стали, дополнительно легированной небольшими количествами (0,02—0,04%) нио-
бия (сталь 10Г2Б). Перспективно применение для сварных конструкций полуспокойных сталей с нитридным упрочнением типа 18Г2АФпс..
Низколегированные конструкционные стали повышенной прочности должны обладать высокой устойчивостью против перехода в хрупкое состояние и быть недорогими и экономичными в производстве. Состав стали должен предопределять возможность ее сварки без усложнения технологии и обеспечивать высокую стойкость против образования трещин в металле шва. Использование дефицитных и дорогих легирующих элементов, например никеля и молибдена, ограничивается требованием низкой стоимости и экономичности производства. Поэтому в применяемых низколегированных сталях (сталях 15ХСНД и 10ХСНД) -содержание никеля невелико.
Необходимость обеспечения высокой стойкости против перехода в хрупкое состояние и хорошей свариваемости ограничивает применение легирующих элементов, которые, способствуя повышению прочности стали, в то же время снижают ее стойкость против перехода в хрупкое состояние и образования кристаллизационных трещин (например углерода и кремния).
Низколегированные стали поставляют по ГОСТ 5058—65 и специальным техническим условиям. Механические свойства наиболее широко применяемых в промышленности сталей (табл. 10-1) следующие: ств = 44-^55 кгс/мм2; стт = ЗО-г-40 кгс/мм2; при —40° С ан 5г 3 кгс-м/см2. Стали, поставляемые в термоулучшенном состоянии, имеют ств = 52н-60 кгс/мм2; стт = 40-г- 50 кгс/мм2 и при —70° С а„ > 3 кгс-м/см2.
По содержанию серы и фосфора низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали могут быть отнесены к качественным сталям. В последние годы находят применение стали с пониженным содержанием серы, например рафинированные в ковше жидким синтетическим шлаком.
Применение сварных конструкций и изделий из низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей, особенно в таких отраслях, как транспортное машиностроение, судостроение, гидротехническое строительство и производство сварных труб большого диаметра, из года в год возрастает.
Низколегированные теплоустойчивые стали должны обладать повышенной механической прочностью при высоких температурах и при длительных постоянных нагрузках, а также достаточной жаростойкостью. Прочность при высоких температурах, кроме обычных характеристик (временное сопротивление, предел текучести и др.), оценивается особыми критериями механической прочности в нагретом состоянии В большинстве случаев жаропрочность определяется величиной предела ползучести и длительной прочностью.
Ползучестью называют способность нагретого до определенной температуры металла постепенно пластически деформиро-
33*515
Сталь
С
S1
Мп
Сг
N1
Си
Другие элементы
S| Р
не более
14Г
09Г2 14Г2 12ГС }7ГС О9Г2С 10Г2С1 14ХГС
15Г2Ф 10ХСНД 15ХСНД
0,12—0,18
<0,12 0,12—0,18 0,09—0,15 0,14—0,20
<0,12
<0,12 0,11—0,16
0,12—0,18
<0,12 0,12—0,18
0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 0,50—0,80
0,40—0,60 0,50—0,80 0,90—1,20 0,40—0,70
0,17—0,37 0,80—1,10 0,40—0,70
0,70—1,00 1,40—1,80 1,20—1,60 0,80—1,20 1,00—1,40 1,30—1,70 1,30—1,65 0,90—1,30
0,90—1,20 0,50—0,80 0,40—0,70
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30 0,50—0,80
<0,30 0,60—0,90 0,60—0,90
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30 0,50—0,80 0,30—0,60
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30 0,40—0,65 0,20—0,40
V 0,05—0,10
0,040
0,035
15Г2СФ
0,12—0,18
0,40—0,70
1,50—1,70
<0,30
<0,30
<0,30
V 0,05—0,10
0,040
0,035
18Г2АФ
0,16—0,22
0,25—0,35
1,30—1,60
<0,30
<0,30
<0,30
V 0,08—0,20 N 0,015—0,030
Ti 0,02—0,05
0,035
0,035
15Г2АФ
0,12—0,18
0,17—0,37
1,30—1,70
<0,30
<0,30
<0,30
V 0,08—0,15 N 0,015—0,030
0,040
0,035
10Г2Б
0,12
0,17—0,37
1,20—1,60
<0,30
<0,30
<0,30
Mb 0,02—0,05
0,040
0,040
Sie
Таблица 10-1
Состав некоторых низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей, применяемых для изготовления сварных конструкций, %
Таблица 10-2
Состав некоторых низколегированных теплоустойчивых сталей, %
Сталь
Температура эксплуата ции °C
С
Мп
Si
Сг
Мо
V
S
р
не б
олее
12ХМ
500—510
0,09—0,16
0,40—0,70
0,15—0,30
0,40—0,80
0,40—0,60
0,025
0,03
15ХМ
500—550
0,11—0,16
0,40—0,70
0,17—0,37
0,80—1,10
0 40—0,60
—
0,025
0,03
20ХМ
520—530
0,15—0,25
0,40—0,70
0,17—0,37
0,80—1,10
0,40—0 60
.—
0,035
0,035
12Х1МФ
<585
0,08—0,15
0,40—0,70
0,17—0,37
0,90—1,20
0,25—0,35
0,15—0,30
0,025
0,025
15Х1М1Ф
<=585
0,10—0,16
0,40—0,70
0,17—0,37
1,10—1,40
0,90—1,10
0,20—0,35
0,025
0,025
20ХМЛ
500—510
0,15—0,25
0,40—0,90
0,17—0,37
0,40—0,70
0,40—0,60
—
0,04
0,04
20ХМФЛ
510—540
0,18—0,25
0,60—0,90
0,17—0,37
0,90—1,20
0,50—0,70
0,20—0,30
0,03
0,03
Таблица 10-3
Механические свойства некоторых низколегированных теплоустойчивых сталей
Сталь
Температура испытания °C
"т кгс/мм2
"в’
кгс/мм2
6, %
Ф, %
"н-
кгс м/см2
Оптимальная термообработка
12ХМ
20
500
28,4
24,0
45,5
40,5
31,5
22,1
66,5
61,5
19,3
9,6
Нормализация при 900—930° С, отпуск при 650—680°С
15ХМ
20
520
35,0
27,0
54,0
42,0
25,5
20,0
67,5 62—68
27,0
Нормализация при 950—980° С, отпуск при 720—750° С
20ХМ
20
520
45,0
34,0
56,5
43,5
24,0
21,0
68,0
73,0
12,0
12,5
Отжиг при 850—860° С, закалка при 860—880° С, отпуск при 690—700° С
12Х1МФ
20
560
37,6
28,3
54,4
38,6
31,5
24,8
73,0
81,0
20,0
13,0
Нормализация при 930—950° С, отпуск при 680—730°С
15Х1М1Ф
20
580
38,0
26,0
60,0
35,0
23,0
19,0
73,0
84,0
20,0 12,0
Нормализация при 1020— 1050° С, отпуск при 73Q—- 760° С
20ХМФЛ
20 , 500
30,0—40,0 30,0
48,0—56,0 38,0
12,0—28,0 22,0
27,0—66,0
69,0—75,0
7,0—17,0 7,0
Двойная нормализация при 960—980° С и 920—940° С, отпуск при 710—740° С
ваться (ползти или течь) под воздействием длительных постоянных нагрузок. Пределом ползучести называется напряжение, при котором через определенный промежуток времени, например 100 000 ч, при данной температуре деформация ползучести получает заранее заданную величину, например 1,0—1,5%.
Длительную прочность характеризуют напряжения, вызывающие разрушение металла от действия приложенной статической нагрузки при заданной температуре за определенный отрезок времени.
Жаростойкость представляет собой способность металлов противостоять химическому разрушению в атмосфере воздуха и коррозионных средах при высоких температурах.
Применение теплоустойчивых сталей обеспечивает возможность нормальной эксплуатации конструкций в условиях высоких температур при значительных напряжениях и в особых средах, способствующих химическому и механическому разрушению металла. Наиболее широко теплоустойчивые стали применяют при изготовлении паровых энергетических установок. Для повышения жаропрочности сталей в их состав вводят легирующие
Таблица 10-4
Состав и механические свойства
некоторых низколегированных среднеуглеродистых сталей (ГОСТ 4543—71)
Сталь
Содержание, %
Тип
Марка
с
Мп
Si
Сг
Хромокремнемарган- цевая конструкционная
Хромомолибденовая конструкционная
20ХГСА 25ХГСА ЗОХГСА 35ХМ
0,17—0,23
0,22—0,28
0,28—0,35
0,32—0,40
0,80—1,10
0,80—1,10 0,80—1,10 0,40—0,70
0,90—1,20 0,90—1,20 0,90—1,20 0,17—0,37
0,80—1,10
0,80—1,10
0,80—1,10
0,80—1,10
Сталь
Содержание, %
Механические свойства
Тип
Марка
zS
S 2
О® £
S
Д
a s’
Хромокремнемарган- цевая конструкционная
Хромомолибденовая конструкционная
20ХГСА 25ХГСА ЗОХГСА 35ХМ
0,40
0,60
0,60
0,15— 0,25
80 НО НО
95
65
85
85
85
12
10
10
12
45
40
45
45
7
6
5
8
Примечание. Механические свойства стали приведены для ее состояния после закалки и отпуска
дЯё^ёнТы (Ato, W и V), энергично повышающие температуру разупрочнения стали при нагреве. Для обеспечения жаростойкости жаропрочных сталей в их состав вводят хром, образующий плотную защитную пленку на поверхности металла.
Существует большое количество сталей с различным уровнем жаропрочности. Низколегированные стали обладают меньшей жаропрочностью, чем высоколегированные стали, однако для определенных условий работы их жаропрочность оказывается достаточной. В табл. 10-2 и 10-3 приведены данные о составе и механических свойствах некоторых марок низколегированных сталей, применяемых для изготовления сварных конструкций в котлотурбостроении и работающих при температуре 450— 580° С. Эти стали обладают хорошими технологическими свойствами и не склонны к тепловой и отпускной хрупкости.
Низколегированные среднеуглеродистые конструкционные стали применяют в машиностроении обычно в термообработанном состоянии. Для этой группы сталей характерны содержание более 0,22% С и склонность к закалке в условиях термического цикла сварки (табл. 10-4). Технология сварки низколегированных среднеуглеродистых сталей подобна технологии сварки среднелегированных сталей (см. §§ 10-5, 10-6, 10-7).
10-2. Сварка низколегированных сталей
Особенности технологии сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей. Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций.
По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и около- шовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. До недавнего времени считали, что металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 17Г1С, 14ХГС и др., имеет только феррито-перлитную структуру. Поэтому предполагали, что структурные изменения в шве при разных режимах сварки сводятся в основном к изменению соотношения между ферритной и перлитной составляющими, а также изменению степени дисперсности структуры.
Более углубленные исследования показали, что при повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит — бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии количество мартен-
Рис. 1V-1. Изменение количества структурных составляю* ' щих и твердости швов на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали (0,14% С; 1,1% Мп; 0,75% Si) в зависимости от погонной энергии: 1 — мартенсит; 2 — перлит, 3 — остаточный аустенит, 4 — твердость
сита, бейнита и остаточного аустенита в металле шва повышается (рис. 10-1) и дисперсность их увеличивается. Так.
количество закалочных структур в швах на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали толщиной 12 мм при сварке с погонной энергией qlv = 4 ккал/см и скорости охлаждения в интервале температур 400—600° С, примерно равной 4,5° С/с, составляет 10—11%.
В швах, выполненных с большой погонной энергией, количество этих структур резко уменьшается. Структура швов на этой же стали при погонной энергии 13 ккал/см и скорости охлаждения примерно 0,5—0,6° С/с состоит только из феррита и перлита. Мартенсит и бейнит образуются также и в околошовной зоне сварных соединений, например стали 14ХГС. Их количество при сварке такой стали максимально (около 3%) в участке перегрева и снижается по мере удаления от линии сплавления.
При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в мягкой ферритной основе. Однако при увеличении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения резко ухудшаются. Дополнительное легирование стали марганцем, •кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства низколегированных сталей ограничивается более узкими (по значению погонной энергии) пределами, чем при сварке низкоуглеродистой стали. В ряде случаев, например при микролегировании ванадием, ванадием и азотом, а также другими элементами, склонность низколегированной стали к росту зерна в околошовной зоне при сварке незначительна.
Для определения реакции низколегированной стали на термический цикл сварки проводят комплекс испытаний (см. §4-3). С целью снижения разупрочнения в околошовной зоне термоулучшенные низколегированные стали следует сваривать при минимально возможной погонной энергии.
520
Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается в основном за счет легирования его элементами," переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.
Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин; при сварке низколегированных сталей несколько ниже, чем низкоуглеродистых, в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается снижением содержания в шве углерода, серы и некоторых* других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбором соответствующей технологии сварки (последовательность выполнения швов, обеспечение благоприятной формы провара) и рациональной конструкции изделия.
Технология сварки покрытыми электродами. Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей покрытыми электродами мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистых сталей. Характер подготовки кромок, режимы сварки, порядок наложения швов практически одинаковы. Прихватки при сборке необходимо выполнять теми же электродами, что и при- сварке основного шва, и накладывать только в местах, где располагается шов.
Низколегированные стали сваривают в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием типа Э42А и Э50А, обеспечивающими более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенные пластические свойства по сравнению с электродами других типов. Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода (например 09Г2) в ряде случаев используют электроды с рутиловым покрытием, например АНО-1 (тип Э42Т). Наиболее широко применяют электроды УОНИ-13/45, СМ-11, АНО-8 (тип Э42А) и УОНИ-13/55, ДСК-50, АНО-7 (тип Э50А), обеспечивающие прочность и пластичность металла шва на уровне свойств основного металла.
Высокая прочность металла шва при сварке электродами типа Э42А достигается за счет перехода легирующих элементов в шов из основного металла и повышенной скорости охлаждения шва. Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до —70° С, например из стали 10Г2, находят применение электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.
Швы, сваренные покрытыми электродами, в ряде случаев имеют пониженную стойкость против коррозии в морской воде, что значительно снижает эксплуатационные свойства сварных сосудов, морских эстакад и других сооружений. Это обусловлено малым содержанием в поверхностных слоях металла шва легирующих элементов (хрома, никеля, меди) вследствие низкой доли
участия основного металла в металле этих слоев. Для повышения коррозионной стойкости металл шва следует легировать хромом.
Технология сварки под флюсом. В большинстве случаев применяют те же сварочные материалы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей: плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45 (однодуговая сварка), АН-60 (многодуговая сварка с повышенной скоростью), а также сварочные проволоки Св-08ГА и Св-10Г2. Для сварки микролегированных сталей, например 15Г2АФ, в ряде случаев применяют низкокремнистый флюс АН-22 в сочетании с проволоками Св-08ХМ и Св-10НМА. Однако при этом швы менее стойки против кристаллизационных трещин, вследствие чего сварку рекомендуется выполнять с предварительным подогревом.
Технология сварки низколегированной стали под флюсом мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали (см. § 9-1).
Для обеспечения пластических свойств металла углового шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла сечение шва следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Иногда сварку выполняют двумя дугами в раздельные ванны. Многослойные швы на толстом металле также рекомендуется выполнять двумя дугами, а при сварке одной дугой перед наложением первого слоя производить подогрев основного металла до температуры 150—200° С. Опытным путем установлена зависимость между толщиной основного металла и сечением шва или слоя:
Толщина более толстого листа, мм10—19 20—29 30—50
Сечение части металла шва или слоя, образованного за счет электродного
" металла, мм2 507090
Металл швов, сваренных под флюсом, благодаря значительной доле участия основного металла и достаточному содержанию легирующих элементов обладает более высокой стойкостью против коррозии в морской воде, чем металл швов, сваренных покрытыми электродами обычного состава.
Технология сварки в защитных газах. Это в основном полуавтоматическая сварка в углекислом газе. Технология сварки низколегированных сталей в углекислом газе практически ничем не отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали. На практике применяют те же сварочные материалы, что и для сварки низкоуглеродистой стали. Так, стали 15ХСНД, 14ХГС и 10ХСНД сваривают сварочной проволокой Св-08Г2С. При однослойной сварке и сварке не более чем в два-три слоя можно применять проволоку Св-12ГС.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе выполняют также порошковыми проволоками ПП-АН4 и ПП-АН8. Проволоку ПП-АН8 можно использовать и при автоматической сварке. Швы, сваренные проволокой ПП-АН8, например на стали 09Г2,
522
равнопрочны основному металлу и имеют повышенные пластические характеристики.
Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений в морской воде применяют сварочную проволоку Св-08ХГ2С, обеспечивающую дополнительное легирование металла шва хромом.
Технология электрошлаковой сварки. Наиболее применима электрошлаковая сварка при изготовлении крупногабаритных изделий из низколегированных сталей 09Г2С, 16ГС, 15ХСНД и 14Г2 толщиной 30—100 мм, а в ряде случаев толщиной до 160 мм. Сварку ведут с применением флюса АН-8 проволоками Св-08ГС, Св-10Г2, реже Св-12ГС. Металл шва, выполненный проволоками Св-08А и Св-08ГА, менее прочен, чем основной металл.
Применение усовершенствованных режимов позволяет часто отказаться от высокотемпературной термообработки (нормализации) сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой. Так, например, сталь 16ГС толщиной 50 мм сваривается при ускоренной подаче сварочной проволоки с увеличенной скоростью поперечных перемещений электрода и большим временем выдержки у ползунов. Примерный режим сварки следующий:
Сила постоянного тока, А900
Напряжение, В .42
Число электродов 1
Скорость подачи электродной проволоки, м/ч 576
Скорость перемещения электрода,м/ч 75
Продолжительность выдержкиуползунов, с 6
Глубина шлаковой ванны, мм50
Сухой вылет электрода, мм70
Принятый режим перемещения электрода способствует выравниванию глубины сварочной ванны по толщине металла. В связи с этим скорость подачи сварочной проволоки может быть значительно повышена без опасности образования в швах кристаллизационных трещин. В свою очередь, увеличение подачи проволоки и, следовательно, скорости сварки уменьшает перегрев околошовной зоны. Свойства сварных соединений стали 16ГС, выполненных проволокой Св-10Г2 под флюсом АН-8 на указанном режиме и после отпуска при температуре 650° С, практически такие же, как и при дуговой сварке металла равной толщины.
В табл. 10-5 приведены типичные режимы сварки низколегированной стали с пониженным содержанием углерода (например 09Г2ДТ). Сварку такой стали на приведенных режимах также можно выполнять без нормализации сварных соединений.
Технология сварки низколегированных теплоустойчивых сталей. Детали эксплуатируемых в энергостроении машин обычно характеризуются сложностью формы, разнообразием конструктивных решений и индивидуальным характером производства. Поэтому наиболее широкое применение находит ручная сварка 523
-Таблица 10-5
Режимы электрошлаковой сварки стали 09Г2ДТ (флюс АН-8)
Толщина металла,
Число электродных проволок
Толщина металла на каждый электрод, мм
Скорость подачи каждой проволоки м/ч
Расстояние между проволоками, мм
Напряжение сварки.
В
Глубина шлаковой ванны,
Продолжительность выдержки у ползу-
70
1
70
400
45—47
50—55
6
90
2
45
260
50
42—44
45—50
4
160
3
53
300
55
42—44
45—50
5
Примечания: 1. Зазор между кромками 28—32 мм
2 Сухой вылет 70 мм.
3. Скорость поперечного Перемещения проволоки 39 м/ч.
4. Расстояние от крайнего положения проволоки до ползуна 5 — 7 мл
5. Диаметр проволоки 3 мм.
6. Металл толщиной 160 мм можно сваривать двумя проволоками при соответствующем увеличении скорости их подачи.
покрытыми электродами и полуавтоматическая сварка в защитных газах и реже автоматическая сварка под флюсом.
Работа конструкций при высоких температурах способствует протеканию диффузионных процессов. Для того чтобы снизить интенсивность этих процессов в сварном соединении, стремятся максимально приблизить состав металла шва к составу основного металла. Для сварки хромомолибденовых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ) применяют электроды типа ЭМХ по ГОСТ 9467—60. Наибольшее распространение получили электроды с руднокислым покрытием ЦП-14 и электроды ГЛ-14 с фтористо-каль- "циевым покрытием. Электроды последней марки изготовляют из проволоки Св-08ХМ.
Хромомолибденовые стали с малым содержанием углерода Деталь 12ХМ) рекомендуется сваривать с предварительным подо- ‘гревом до 200° С. При более высоком содержании в стали углерода температуру предварительного подогрева повышают до 250— 300° С.
Хромомолибденованадиевые стали (20ХМФЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф) сваривают электродами ЦЛ-20-63 (тип ЭХМФ) со стержнем из проволоки Св-08ХМФА. В этом случае необходим предварительный и сопутствующий подогрев до 300—350° С. После сварки сварные соединения подвергают высокому отпуску при температуре 700—740° С в течение 2—3 ч.
При сварке в углекислом газе стали 15ХМ и 20ХМ применяют .сварочную проволоку Св-10ХГ2СМА, состав которой приведен в §7-1. При использовании этой проволоки прочностные и пластические свойства сварных соединений в интервале температур 20— "525° С практически не отличаются от свойств основного металла.
524
Таблица 10-8
Режимы термообработки конструкций, изготовленных из низколегированных жаропрочных сталей
Сталь
Режим термообработки
15ХМ
Посадка в печь при температуре 200° С, нагрев до 610° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 600—610° С 3 ч, охлаждение до 200° С со скоростью 40—50° С/ч с последующим остыванием на воздухе
20ХМ
Посадка в печь при температуре 300° С, нагрев до 680° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 640—680° С 4 ч, охлаждение до 200° С со скоростью 40—50° С/ч с последующим остыванием иа воздухе
20ХМФЛ
Посадка в печь при температуре 200° С, нагрев до 700° С со скоростью 40—50° С/ч, выдержка при температуре 690—700° С 2—7 ч, охлаждение до температуры 200° С со скоростью 40— 50° С/ч с последующим остыванием на воздухе
Автоматическую и полуавтоматическую сварку этих сталей в углекислом газе проводят с предварительным подогревом до температуры 250—300° С. Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низкоуглеродистой стали. После сварки проводят высокий отпуск конструкции (табл. 10-6).
Теплоустойчивую сталь 20ХМФЛ сваривают в углекислом газе проволокой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 300—350° С, что обеспечивает повышение стойкости шва против трещин и снижение твердости металла шва и околошовной зоны. После окончания сварки конструкцию подвергают термообработке по режиму, приведенному в табл. 10-6 (по данным Б. С. Касаткина). Сварное соединение стали 20ХМФЛ, выполненное в углекислом газе проволокой Св-08ХГСМФА, по всем показателям равноценно основному металлу.
Автоматическую и полуавтоматическую сварку в углекислом газе сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф осуществляют проволокой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 250—300° С. После сварки производят высокий отпуск при температуре 70^—740° С.
При сварке под флюсом теплоустойчивых сталей, например 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, рекомендуется применять проволоку Св-08ХМФА и флюс АН-22. Сварку осуществляют с предварительным подогревом. Можно использовать также флюс АН-17М в сочетании с кремнемарганцовистой проволокой Св-08ХГСМФА. При указанном сочетании сварочных материалов обеспечивается получение металла шва, кратковременные и длительные механические свойства которого (в состоянии после высокого отпуска) при температуре 20—585° С полностью удовлетворяют установленным требованиям.
| 10-3. Среднелегированные стали и особенности их сварки
Среднелегированной, согласно ГОСТ 5200—50, называется сталь, легированная одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5—10%.
Для изготовления сварных конструкций применяют конструкционные (главным образом машиноподелочные) среднелегированные стали и среднелегированные теплоустойчивые стали. Среднелегированные конструкционные стали с содержанием до 0,5% С поставляют в основном по ГОСТ 4543—71 и разделяют на качественные и высококачественные.
Среднелегированные теплоустойчивые стали обычно содержат не более 0,25% С и до 6,0% Сг в качестве обязательного легирующего элемента. Дополнительно сталь может быть легирована молибденом, ванадием, вольфрамом и ниобием. Никелем стали этой группы, как правило, не легируют. Химический состав среднелегированных жаропрочных сталей регламентирован ГОСТ 4543—71 и специальными ТУ.
Главной и общей характеристикой среднелегированных сталей являются механические свойства. Среднелегированные стали обладают временным сопротивлением 60—200 кгс/мм2, что значительно превышает временное сопротивление обычных углеродистых конструкционных сталей.
Для современных марок легированных сталей характерно многокомпонентное комплексное легирование (табл. 10-7). Легирование этих сталей только одним элементом применяется весьма редко. Примером современной ^тали, легированной одним элементом, может служить только стать 06НЗ, предназначенная для сварных конструкций, работающих з условиях глубокого холода. Комплексное легирование более экономично и позволяет получить стали с более высоким уровнем механических свойств.
Среднелегированные стали для сварных конструкций в основном относятся к перлитному классу. Однако некоторые стали этой группы, содержащие 5—6% и более легирующих элементов, относятся к мартенситному классу.
Высокие механические свойства среднелегированных сталей достигаются легированием элементами, упрочняющими феррит и повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термообработкой, после которой в полной мере проявляется положительное влияние легирующих элементов. Поэтому среднелегированные стали всегда характеризуются как химическим составом, так и видом термообработки. Среднелегированные стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, как правило, подвергаются улучшению (закалке с последующим высоким отпуском) или закалке и низкому отпуску (см. табл. 10-7).
При высоких прочностных свойствах среднелегированные стали после соответствующей термообработки по пластичности
526
Таблица 10-7
Состав и механические свойства некоторых среднелегированных сталей, применяемых для изготовления сварных конструкций
Сталь
Содержание, %
Термоооработка
Механические свойства (не менее)
Тип
Марка
с
Мп
S1
Сг
N1
Мо
S S
S S
60
65
S
s'
20ХГСА
0,17— 0,23
0,80— 1,10
0,90— 1,20
0,80— 1,10
—
—
Закалка и отпуск при 480—500° С
80
65
12
45
7
ь% Хромокремнемар- ^ ганцевая конструкционная
25ХГСА
0,22— 0,28
0,80— 1,10
0,90— 1,20
0,80—
1,10
—
То же
ПО
85
10
40
6
ЗОХГСА
0,28— 0,34
0,80— 1,10
0,90— 1,20
0,80—
1,10
—
Закалка и отпуск при 500—540° С
НО
85
10
45
5
Хромокремнемар- ганцевоникеле- вая конструкционная
ЗОХГСНА
0,27— 0,34
1,00— 1,30
0,90— 1,20
0,90— 1,20
1,40—
1,80
Закалка и отпуск при 200—300° С
165
140
9
45
6
Продолжение табл. 10-7
Сталь
Содержание, %
Термообработка
Механические свойства (не менее)
Тип
Марка
с
Мп
S1
Сг
N1
Мо
2 2
О* £
2 2
2
s'
Никелевая конструкционная
06НЗ
0,04— 0,08
0,50
0,30
3,00— 4,00
Нормализация и отпуск при 600°С
48
32
25
60
16
Хромоникелемо- либденованадие- вая конструкционная
30ХН2МФА
0,26— 0,33
0,30— 0,60
0,17— 0,37
0,60— 0,90
2,0— 2,5
0,20— 0,30
Закалка и отпуск при 680°С
90
80
10
40
9
Хромомолибденовая жаропрочная
12Х5МА
0,15
0,5
0,6
4,0— 6,0
0,5— 0,6
Закалка и отпуск при 650° С
60
45
—
12
Хромоникелемо либденовая жаропрочная
20Х2МА
0,18— 0,24
0,3— 0,7
0,17— 0,37
2,1—
2,4
0,3— 0,7
0,25— 0,35
Нормализация (закалка) и отпуск при 650° С
60
45
16
45
7
и вязкости не только не уступают, но в ряде случаев превосходят такой пластичный материал, как низкоуглеродистая сталь Высокие прочностные и пластические свойства среднелегированных сталей обычно сочетаются с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и определяет их использование для конструкций, работающих в тяжелых условиях, например при ударных или знакопеременных нагрузках, при низких или высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах и пр.
Среднелегированные стали используют для создания облегченных высокопрочных конструкций в энергомашиностроении, тяжелом и химическом машиностроении, судостроении, самолетостроении и других отраслях техники. Машины и аппараты из среднелегированных сталей изготовляют с широким применением сварки.
Особенности сварки среднелегированных сталей. В зависимости от типа конструкции и ее назначения к сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования необходимой и достаточной прочности в условиях эксплуатации, плотности, а также некоторые специальные требования (коррозионная стойкость, стойкость против взрывных нагрузок и т. п.). В связи с особыми физико-химическими свойствами среднелегированных сталей выполнение этих требований является достаточно сложной задачей. Восприимчивость среднелегированных сталей к закалке, а также высокий уровень механических свойств обусловливают ряд специфических трудностей, возникающих при их сварке.
Первой трудностью, наблюдающейся при сварке среднелегированных сталей, особенно с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов, является предупреждение возникновения холодных трещин в околошовной зоне и в металле шва. Низкая сопротивляемость околошовной зоны среднелегированных сталей образованию холодных трещин определяется особенностями происходящих в них структурных превращений, обусловленных концентрированным местным нагревом металла вплоть до температур плавления, а также резким отличием в некоторых сварных соединениях химического состава металла шва от состава околошовной зоны.
Можно утверждать, что во всех случаях сварки среднелегированных сталей, содержащих свыше 0,15% С, следует предусматривать меры, обеспечивающие повышение стойкости сварных соединений против образования холодных трещин. Из приведенных в табл. 10-7 марок только сталь 06НЗ обладает высокой стойкостью против образования холодных трещин. В сварных соединениях всех остальных марок сталей при тех или иных условиях сварки холодные трещины могут возникать. Вероятность их образования тем больше, чем больше содержится в стали углерода и легирующих элементов, повышающих восприимчивость стали к закалке, и чем больше толщина металла. Задача рационального технологического процесса при сварке среднеде-
94 Заказ № 782 5 29
тированных сталей сводится прежде всего к тому, чтобы наиболее простыми приемами обеспечить высокую стойкость металла около- шовной зоны и металла шва против образования холодных трещин.
Второй трудностью сварки среднелегированных сталей является предупреждение возникновения кристаллизационных трещин в металле шва. Методы предупреждения кристаллизационных трещин при сварке среднелегированных сталей мало отличаются от применяющихся при сварке углеродистых сталей. Для этого снижают содержание в шве серы, углерода и других элементов, уменьшающих стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин, и повышают содержание таких элементов, как марганец, хром и др., увеличивающих стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин.
Третья трудность состоит в необходимости получения металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом с механическими свойствами, равноценными или близкими к свойствам основного металла. Поскольку для повышения стойкости металла шва против образования холодных и кристаллизационных трещин ограничивают содержание в нем углерода и некоторых легирующих элементов, достигнуть равноценности шва с основным металлом в общем случае весьма затруднительно. Литой металл шва в отличие от катаных и кованых заготовок не подвергается обработке давлением — эффективному средству создания благоприятной структуры и повышения механических свойств металла. Термообработка сварного соединения должна быть возможно более простой и одинаковой для основного металла и металла шва.
В ряде случаев возникают серьезные затруднения с обеспечением надлежащих прочностных и пластических свойств металла, околошовной зоны и зоны сплавления. Трудности получения качественной зоны сплавления возникают, например, в случае использования для сварки среднелегированных сталей высоколегированного электродного металла, обеспечивающего получение шва с аустенитной структурой Большая разница по химическому составу между металлом шва и основным металлом при определенных условиях может привести к образованию в зоне сплавления непластичной хрупкой прослойки и обезуглероживанию основного металла в участках, непосредственно примыкающих к границе сплавления.
Большие трудности могут возникнуть при электрошлаковой сварке сталей, склонных к перегреву. Для устранения последствий перегрева в околошовной зоне в таких случаях приходится разрабатывать специальные режимы термообработки, усложняющие изготовление сварной конструкции, или применять менее производительные методы сварки.
Совершенно особые трудности возникают, если сварные соединения среднелегированных сталей вовсе нельзя подвергать термообработке, например сварные соединения судов и других крупных сооружений, а также, если вместо требуемой закалки с по- 530
следующим отпуском приходится применять только отпуск. В подобных случаях прибегают к ряду особых технологических приемов (см. § 10 5). Для решения этих задач технолог должен правильно выбрать режимы сварки и сварочные материалы.
Из всех перечисленных затруднений, возникающих при сварке среднелегированных сталей, наиболее серьезным и специфичным является предотвращение образования холодных трещин.
§ 10-4. Технологические методы предупреждения образования холодных трещин в сварных соединениях среднелегированиых сталей
Для предупреждения возникновения холодных трещин в сварных соединениях среднелегированных сталей технолог- сварщик располагает рядом методов. Рассмотрим их последовательно.
Выбор среднелегированных сталей для сварных конструкций. Для сварных конструкций следует применять марки сталей, обладающих требуемыми механическими свойствами при возможно более низком содержании углерода и легирующих элементов, повышающих восприимчивость стали к закалке. Следует также ограничивать содержание этих элементов в металле шва. Первостепенное влияние углерода на образование холодных трещин обусловлено тем, что он во многом определяет положение температурного интервала мартенситного превращения аустенита, в свою очередь определяющего как вероятность зарождения холодных трещин, так и их развитие.
Различают две разновидности мартенсита: дислокационный иглообразный, содержащий в иглах только дислокации, и двойниковый пластинчатый, в котором пластины содержат двойники (рис. 10-2). Дислокационный мартенсит образуется при относительно высоких температурах в сталях с низким содержанием углерода (С < 0,22%), отличающихся повышенной пластичностью и пониженной прочностью. При этом атомные искажения по границам зерен невелики, в связи с чем такие стали в закаленном состоянии менее склонны к замедленному разрушению.
В двойниковом пластинчатом мартенсите, образующемся в углеродистых сталях с повышенным содержанием углерода (С > 0,22%), деформация может легко осуществляться только с увеличением плотности упаковки атомов. Поэтому такой мартенсит менее пластичен и более прочен. Он обусловливает возникновение значительных атомных искажений по границам зерен и соответственно увеличивает склонность к замедленному разрушению и образованию холодных трещин в сварных соединениях.
Уменьшение в стали 30Х2Н2М содержания углерода всего на 0,1% в 2 раза повышает ее прочность при длительном нагружении и, следовательно, стойкость против образования трещин (рис. 10-3). Об этом же свидетельствуют эмпирические формулы 34*531
MvMvKi»" wiw tin-Ki»" wiw tin-
Mv
Mv
Ki»" wiw tin-
Ki»" wiw tin-
Рис. 10-2. Разновидности мартенсита X 40 000:
а — дислокационный,б — двойниковый
для определения углеродного эквивалента. Из формулы (4-1) видно, что влияние углерода на стойкость соединений против образования холодных трещин в 10 и 6 раз больше, чем никеля или марганца соответственно.
Кроме выбора марки стали в некоторых случаях требуется определить еще и способ ее производства и рафинирования. Например, для особо ответственных сварных конструкций, работающих в тяжелых условиях нагружения (низкие температуры, ударная нагрузка) и изготовляемых из толстых листов (крупных слитков), рекомендуется применять среднелегированные стали, улучшенные дуплекс-процессом. Этот процесс предусматривает перелив жидкой мартеновской стали из печи с основной футеровкой в печь с кислой футеровкой.
Весьма эффективно использование сталей, прошедших элек- трошлаковый и электроннолучевой переплавы, особенно в соче
тании с дополнительным микролегированием элементами-моди-
а - 0,2% С,6 — 0,3% С
Рис. 10-4. Влияние выплавки стали трещин:Рис. 10-4. Влияние выплавки стали трещин:на стойкость против образования холодныхна стойкость против образования холодныха — сталь 35Х2Н2М*1 — обычной мартеновской выплавки,2 — после электрошлакового переплаваб — сталь 42Х2ГСНМ/ — обычной выплавки,2 — после электроннолучевого переплаваа — сталь 35Х2Н2М*1 — обычной мартеновской выплавки,2 — после электрошлакового переплаваб — сталь 42Х2ГСНМ/ — обычной выплавки,2 — после электроннолучевого переплава
Рис. 10-4. Влияние выплавки стали трещин:
Рис. 10-4. Влияние выплавки стали трещин:
на стойкость против образования холодных
на стойкость против образования холодных
а — сталь 35Х2Н2М*
1 — обычной мартеновской выплавки,
2 — после электрошлакового переплава
б — сталь 42Х2ГСНМ
/ — обычной выплавки,
2 — после электроннолучевого переплава
а — сталь 35Х2Н2М*
1 — обычной мартеновской выплавки,
2 — после электрошлакового переплава
б — сталь 42Х2ГСНМ
/ — обычной выплавки,
2 — после электроннолучевого переплава
включений уменьшается, а стойкость стали против образования холодных трещин повышается (рис. 10-4)
Регулирование термического цикла сварки. Регулировать сварочный термический цикл можно путем изменения режима сварки Для большинства марок среднелегированных сталей определение оптимальных режимов сварки позволяет резко повысить стойкость сварных соединений против образования холодных трещин и в ряде случаев полностью устранить их возникновение. Идеальный термический цикл, обеспечивающий наиболее высокую стойкость сварного соединения против образования холодных трещин, приведен на рис. 6-21.
Практическое осуществление циклов, близких к идеальному, при дуговой сварке сопряжено с применением весьма малопроизводительных режимов сварки, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов. Следовательно, осуществление идеального цикла требует больших затрат труда и средств. При электрошлаковой сварке этот цикл вовсе неосуществим. В практике термические циклы, близкие к идеальным, применяют редко. Задача технолога-сварщика состоит в том, чтобы изыскать более производительные и менее дорогие методы борьбы с холодными трещинами, чем получение идеального термического цикла сварки.
Для повышения стойкости сварных соединений против образования холодных трещин необходимо замедлять охлаждение сварного соединения ниже точки Аг с целью смещения превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, а также предупреждать развитие перегрева в околошовной зоне и возникновение грубой столбчатой структуры в металле шва. Наиболее просто и экономично можно замедлить охлаждение ниже точки Av применяя мощные источники нагрева и низкие скорости сварки. Однако при этом развивается перегрев металла в околошовной зоне, а первичная структура металла шва стано-
Рис. 10-5. Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита в сварных соединениях:
а — сталь I с пониженным содержанием легирующих элементов (34ХМ и др );
б — сталь II с повышенным содержанием легирующих элементов (30Х2Н2М и др ): Л — аустенит, М — мартенсит, Б — бейнит, Ф — феррит, П — перлит
вится более грубой. Кроме того, не всякое замедление обеспечивает получение в сварных соединениях необходимой вторичной структуры, повышающей стойкость соединения против образования холодных трещин.
Влияние термического цикла на стойкость против образования холодных трещин следует определять с учетом особенностей превращения переохлажденного аустенита в металле сварного соединения. Рассмотрим термокинетические диаграммы, описывающие превращение аустенита при непрерывном охлаждении для двух типов среднелегированной стали I и II. Сталь I отличается от стали II пониженной восприимчивостью к закалке и повышенной стойкостью против образования трещин при сварке (рис. 10-5).
Термокинетические диаграммы строят в координатах время — температура превращения. В этих координатах наносят семейство кривых охлаждения и на каждой кривой отмечают точки, соответствующие началу и концу превращения в каждой из характерных областей. Соединение этих точек линиями позволяет ограничить области превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Ход превращения изучают дилатометрическим или магнитометрическим методом в сочетании с металлографическим исследованием образцов, подверженных закалке с определенной температуры. В последнее время для этой цели успешно применяют также и метод высокотемпературной металлографии.
На рис. 10-5 нанесены три кривые охлаждения, соответствующие режимам многослойной ручной дуговой сварки толстого металла (кривая /), многослойной сварки под флюсом толстого металла на мощных режимах (кривая 2) и однопроходной электро-
534
шлаковой сварки толстого металла (кривая 3). При сварке стали типа I превращение проходит в основном в мартенситной области только при охлаждении по кривой 1. При охлаждении этой стали в соответствии с кривыми 2^3 превращение смещается соответственно в бейнитную и ферритоперлитную области.
В сварных соединениях из сталей типа I отколы образуются только при сварке на первом режиме. В соединениях, выполненных на режимах, соответствующих кривым 2 и 3, трещины возникают только при неблагоприятных условиях. При сварке стали типа II превращение переохлажденного аустенита проходит полностью в мартенситной области при охлаждении по кривым / и 2; при охлаждении по кривой 3 превращение аустенита захватывает бейнитную область. При сварке стали типа II на режимах по кривым 1 и 2 возникают отколы, причем образование трещин при сварке на режиме по кривой 2 может быть даже большим, чем при сварке на режиме по кривой 1. В случае сварки на режиме по кривой 3 трещины возникают только при неблагоприятных условиях.
Следовательно, повышение погонной энергии сварки обычно целесообразно в случае сварки сравнительно низколегированных сталей типа I. При этом замедление охлаждения ниже точки Аг сопровождается благоприятными изменениями в ходе превращения переохлажденного аустенита, т. е. приводит к образованию структуры металла, способствующей повышению стойкости сварных соединений против образования трещин. Для сталей типа I благоприятное влияние этих изменений преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева при повышении погонной энергии сварки.
Для сталей типа II повышение погонной энергии сварки может быть даже вредным. Благоприятных структурных изменений, обусловленных смещением превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, при этом может не быть, а отрицательное влияние перегрева проявится более резко. Для сталей типа II целесообразны только режимы сварки, обеспечивающие значительно замедленное охлаждение сварных соединений в области температуры ниже точки Аг (например при электро- шлаковой сварке), когда и в этих сталях происходит смещение превращения переохлажденного аустенита в область более высоких температур и получает особо существенное развитие само- отпуск мартенсита непосредственно в процессе охлаждения соединения.
В рассматриваемом случае процесс самоотпуска развивается вследствие значительного замедления охлаждения соединения при температурах порядка 300—150° С. Длительность пребывания сварного соединения при температурах 300—150° С в случае однопроходной электрошлаковой сварки в десятки раз больше, чем в случае дуговой многослойной сварки толстого металла.
Рис. 10-6. Влияние способа сварки на стойкость против образования холодных трещин соединений, выполненных электродуговой (<?) и электроннолучевой (б) сваркой Сталь 42Х2ГСНМ
Из сопоставления данных, представленных на рис 10-6, следует, что электроннолучевые соединения по стойкости против холодных трещин значительно превосходят аналогичные соеди
нения, выполненные дуговой сваркой под флюсом Время пребывания металла зоны при температурах перегрева в случае электроннолучевой сварки во много раз меньше, чем при сварке под флюсом (рис 10-7). По этому можно прийти к заключению, что
причина отмеченного преимущества электроннолучевых соединений состоит в резком ограничении перегрева и кратковременной аустенитизации металла околошовной зоны.
Как видно на рис. 10-8, при исходной феррито-перлитной структуре стали вторичное зерно у линии сплавления осталось практически таким же, как и в основном металле, т. е. перегрев отсутствует.
Влияние продолжительности аустенитизации на процесс превращения аустенита в стали 30Х2Н2М определяли при помощи высокотемпературной металлографии (рис. 10-9). В образцах этой стали, нагреваемых по термическому циклу электроннолучевой сварки, превращение переохлажденного аустенита в основном развивалось при высоких температурах вблизи точки Тм. При цикле дуговой сварки это превращение растягивается на значительный интервал температур, лежащий ниже этой точки.
?з§
Рис. 10-8. Микроструктура окоЛоШов- ной зоны на границе со швом после электроннолучевой сварки стали ЗОХГСА толщиной 30 мм, X 300
Если стойкость сварных соединений против образования холодных трещин настолько низка, что избежать их появления путем соответствующего выбора режима сварки не удается, в отдельных случаях прибегают к регулированию термического цикла путем предварительного и сопутствующего подогревов свариваемых кромок. Особо высокую стойкость против образования трещин можно получить, применяя предварительный подогрев до температуры 200—300° С и режимы сварки с низкой погонной энергией. Соблюдение этих условий приближает реальный термический цикл сварки к идеальному.
Однако для широко применяемых среднелегированных сталей даже большой толщины достаточную стойкость против образования холодных трещин можно получить при использовании подогрева до температуры 150—200° С и сравнительно высоких режимов сварки. Так, например, в случае автоматической сварки под флюсом сталей, приведенных в табл. 10-7, подогрев до температуры 200° С оказывается достаточным для предупреждения холодных трещин.
Предварительный подогрев свариваемых кромок целесообразно осуществлять с помощью индукторов, питающихся электрическим током промышленной частоты. Соединения из металла сравнительно небольших толщин можно подогревать газовым пламенем. При сварке металла средних и больших толщин в ряде случаев образование холодных трещин можно предотвратить путем разогрева области шва до температуры 100—150° С в процессе наложения слоев с минимальным перерывом между ними, а также применяя каскадный и блочный приемы сварки. В этом отношении весьма эффективна также многодуговая автоматическая сварка в защитных газах при большом расстоянии между дугами.
Оптимальный термический цикл сварки (режим сварки и подогрева), при котором для стали данного состава обеспечивается отсутствие холодных трещин и малопластичных структур в около- шовной зоне, можно также определять расчетным путем. Расчет режима сварки ведут для того, чтобы обеспечить завершение превращения аустенита в перлитной области с образованием стойких против холодных трещин структур.
Рис. 10-9. Влияние напряжения и температуры их действия на развитие превращения аустенита в стали 30Х2Н2М при термическом цикле дуговой сварки иохл = 0,3° С/с при Г = 500-^-300° С; X 140: а — 20кгс/мм8при600° С;г — 20 кгс/мм2 при 450° С;
б — 20кгс/мм®при500° С;д — 30 кгс/мм2 при 450° С;
в — 30кгс/мм2при500® С;е — 400 кгс/мм2 при 450° С
Однако такой расчет весьма приближенный, так как основан на экспериментальных данных о превращениях переохлажденного аустенита, не учитывающих особенностей, вносимых в это превращение сваркой. В частности, важны особые условия аустенитизации и воздействия временных напряжений и т. п. К тому же режим такого рода можно пытаться рассчитать только для сталей, отличающихся низкой восприимчивостью к закалке, когда изменением режима можно перевести превращение в перлитную область. Для сталей, у которых при всех практически осуществимых режимах сварки превращение проходит в основном в мартенситной области, нельзя выдержать основное условие расчета и, следовательно, нельзя рассчитать требуемый режим сварки,
Регулирование временных напряжений. Структуру и свойства сварных соединений из среднелегированных сталей, в частности их стойкость против образования холодных трещин, можно в определенных пределах изменять, регулируя нарастание в них при охлаждении временных сварочных напряжений. Если при охлаждении соединения эти напряжения достигают определенной величины при температурах, предшествующих развитию бейнит- ного и мартенситного превращения, то эти превращения смещаются в область высоких температур. В результате стойкость сварных соединений против образования холодных трещин повышается.
На рис. 10-9 показано, как смещается бейнитное превращение в стали 30Х2Н2М в область высоких температур в зависимости от величины напряжений и температуры их приложения для случая охлаждения образцов из этой стали по конкретному термическому циклу дуговой сварки. Все приведенные микроструктуры относятся к моменту, когда в процессе непрерывного охлаждения температура образцов достигала 320° С. Нагрев, нагружение и фиксацию развития превращения аустенита в образцах производили с помощью установки для высокотемпературной металлографии ИМАШ-5М.
При температуре 320° С наибольшее смещение превращений наблюдалось, если при температуре 450° С прикладывали напряжения 30 кгс/мм2 (см. рис. 10-9). Увеличение или уменьшение напряжений при этой температуре, а также изменение температуры при всех опробованных напряжениях приводили к уменьшению смещения превращений. Напряжения 7 кгс/мм2 и меньше практически не оказывали никакого влияния на превращение. Не оказывали влияния на превращение аустенита и напряжения, приложенные к образцу после того, как в нем превратилось в мартенсит или бейнит больше 50% аустенита.
Таким образом, существуют оптимальные значения температур и напряжений, при которых их влияние на превращение наибольшее. Это положение хорошо согласуется с результатами исследований Г. В. Курдюмова и его сотрудников, показавших, что только малые пластические деформации аустенита ускоряют его превращение при последующем охлаждении, а большие — напротив его замедляют. Последнее положение подтверждается проявлением на микроструктуре образцов следов пластической деформации — двойников, линий сдвига, дробления зерен во всех случаях, когда к образцам прикладывали высокие для данной температуры напряжения (рис. 10-9, а, е\ При оптимальном сочетании температур и напряжений таких следов пластической деформации не обнаружено (рис. 10-9).
На рис. 10-10 приведены результаты испытаний на длительное растяжение стыковых соединений стали 30Х2Н2М (6 = 16 мм), сваренных проволокой Св-10ХГСН2МТ. Переохлажденный аустенит в околошовной зоне этих соединений был подвергнут при-
539
Рис. 10-10. Влияние величины промежуточных (временных) напряжений (б) и температуры их действия (а) на прочность сварного соединения при длительном нагружении
мерно такому же деформационному воздействию в процессе охлаждения после сварки, как и в предыдущем случае (рис. 10-9). Из сопоставления рис. 10-9 и 10-10 следует, что влия
ние величины напряжений и температуры их приложения на превращение аустенита хорошо согласуется с их действием на стойкость соединений против образования холодных трещин.
В опытах (рис. 10-10) напряжения растяжения, при которых производили испытание образцов на длительное нагружение, были равны 50 и 40 кгс/мм2 соответственно, а промежуточные
напряжения в опытах по определению влияния температуры на длительную прочность соединений устанавливали равными 25 кгс/см2. Температура приложения промежуточных напряжений к образцам по кривой а (рис. 10-10) была равной 420—450° С. Наибольшее смещение превращения и наивысшая стойкость соединений против образования холодных трещин имели место в случае приложения напряжения 30 кгс/мм2 при температуре 450° С.
Изменение стойкости соединений против образования холодных трещин при варьировании величины напряжений и темпера
туры их приложения описывается зависимостями с четко выраженным максимумом (рис. 10-10). Такая же зависимость наблюдается и в смещении превращения аустенита в область высоких температур при изменении этих же факторов (см. рис. 10-9).
Изложенные зависимости в общем справедливы и для других марок среднелегированных сталей и термических циклов, при использовании которых в околошовной зоне и металле шва развиваются бейнитное и мартенситное превращения. Однако распространяя эти зависимости на другие стали и иные условия сварки, следует иметь в виду, что рассматриваемое влияние напряжений заметно ослабевает по мере повышения устойчивости аустенита в стали и ускорения охлаждения сварного соединения. Так, при экспериментальном определении величины смещения превращения аустенита под влиянием напряжений в сталях 30Х2Н2М, 35X3H3M и 60Х2Н установлено, что это смещение наибольшее для первой стали, значительно слабее для второй и практически отсутствует в третьей
Таким образом, рассматриваемый метод борьбы с холодными трещинами особенно эффективен при сварке среднелегированных сталей с пониженным содержанием углерода и легирующих эле-
ментов и при применении режимов сварки, обеспечивающих замедленное охлаждение сварных соединений.
Рассмотрим теперь вопрос о том, как практически можно регулировать напряжения в процессе сварки с целью повышения стойкости соединений против образования холодных трещин. Ранее было изложено доказательство возможности влияния на ход превращений аустенита в околошовной зоне путем регулирования временных напряжений. Благодаря этому можно существенно повысить стойкость этой зоны против образования холодных трещин.
Наиболее простой и надежный способ такого регулирования состоит в выборе химического состава металла шва. От него зависят коэффициент линейного расширения, характер и объемный эффект структурных превращений. Эти факторы оказывают существенное влияние на развитие временных напряжений в процессе сварки.
В качестве примера на рис. 10-11 показано развитие временных поперечных напряжений в однослойных стыковых соединениях стали 35X3H3M при трех типах металла шва: аустенитном, бей- нитно-мартенситном и ферритно-перлитном. Швы сваривали под флюсом с использованием сварочных проволок Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х5М и Св-08ГА соответственно. Однопроходным швом соединяли между собой узкие пластины (Z = 60 мм) толщиной 16 мм, предварительно вваренные в жесткую раму (см. рис. 10-11 вверху). Режим сварки характеризовался относительно низкой скоростью и высокой погонной энергией (исв = 6 м/ч; /св = 600 A; UR = = 30 В). Реактивные поперечные напряжения определяли при помощи специальных деформометров. Деформации измеряли на базе 100 мм вдали от шва. Применяли искусственное охлаждение пластин в местах замера деформации.
В соединениях с аустенитным швом по мере его охлаждения напряжения непрерывно нарастают (рис. 10-11). Перегибы на
нается ферритно-перлитный распад аустенита в металле шва (кривая /) и бейнитно-мартенситное превращение аустенита в металле шва (кривая 2). Последнее превращение сопровождается значительным объемным эффектом, что и обусловливает в основном отмеченные изменения в нарастании поперечных напряжений
Если сопоставить данные рис. 10-11 с приведенными выше сведениями о повышении стойкости против образования холодных трещин и ускорении превращения аустенита под действием внешних напряжений, можно прийти к следующему заключению: только в соединениях с аустенитным и бейнитно-мартенситным швами поперечные напряжения перед бейнитно-мартенситным превращением в околошовной зоне при температуре 400—450° С достигают величины (12 кгс/мм2), достаточной для смещения превращения и повышения их стойкости против образования трещин. В соединениях с ферритно-перлитным швом величины этих напряжений недостаточны (6 кгс/мм2 при 450° С) для такого смещения
Все изложенное хорошо согласуется с известными данными о высокой стойкости соединений с аустенитными и бейнитно- мартенситными швами против образования холодных трещин и низкой стойкости соединений с ферритно-перлитными швами. Кривые замедленного разрушения стыковых соединений из стали 35X3H3M, подтверждающие это положение, приведены на рис. 10-12.
Второй способ регулирования временных напряжений заключается в установлении рациональной последовательности выполнения отдельных швов в сварной конструкции (узле). Сущность его поясним на примере образования трещин в отдельных швах технологической крестовой пробы, применяемой для оценки сопротивляемости соединений холодным трещинам (рис. 10-13). Швы этой пробы по нарастанию стойкости против образования холодных трещин в околошовной зоне расположены в следующий ряд: 1, 3, 2, 4. В такой же последовательности они располсжены и по жесткости закрепления соединяемых пластин перед сваркой. Шов 1 сварен при свободных пластинах, а шов 4—при наибольшей жесткости их закрепления ранее выполненными швами.
Можно полагать, что в описанной последовательности проявляется положительное влияние величины временных напряжений на превращение аустенита в околошовной зоне этих швов. В околошовной зоне шва 1 эти напряжения наименьшие и наибольшие в шве 4. При сварке реальных узлов, подобных крестовой пробе, знание отмеченной зависимости позволяет установить рациональные технологические приемы и последовательность выполнения отдельных швов. Например, можно предусмотреть, чтобы швы 1 и 3 выполнялись аустенитными электродами, а швы 2 и 4 — более дешевыми ферритно-перлитными электродами.
Однако при практическом использовании этого способа предупреждения холодных трещин необходимо учитывать, что чрез-
542
Рис. 10-12.Влияние типа металла шва на стойкость соединений против образования холодных трещин в околошовной зонеРис. 10-12.Влияние типа металла шва на стойкость соединений против образования холодных трещин в околошовной зонеРис. 10-13.Влияние последовательности выполнения швов в крестовой пробе на возникновение в них холодных трещинРис. 10-13.Влияние последовательности выполнения швов в крестовой пробе на возникновение в них холодных трещин
Рис. 10-12.
Влияние типа металла шва на стойкость соединений против образования холодных трещин в околошовной зоне
Рис. 10-12.
Влияние типа металла шва на стойкость соединений против образования холодных трещин в околошовной зоне
Рис. 10-13.
Влияние последовательности выполнения швов в крестовой пробе на возникновение в них холодных трещин
Рис. 10-13.
Влияние последовательности выполнения швов в крестовой пробе на возникновение в них холодных трещин
1 — ферритно перлитный шов,
2 — бейнитно мартенситный шов, 3 — аустенитный шов
мерное увеличение жесткости закрепления соединяемых элементов может не только не предупредить возникновения трещин, а напротив, способствовать их появлению вследствие значительного повышения остаточных напряжений. Отмеченные обстоятельства необходимо учитывать применительно к отдельным швам конкретной конструкции.
Третий способ регулирования временных напряжений в сварных соединениях состоит в преднамеренном их деформировании внешней силой в оптимальном интервале температур при помощи специальных приспособлений по схемам, аналогичным приведенным в § 6-3. Большие размеры и сложность этих приспособлений ограничивают практическое применение способа деталями и узлами с относительно небольшим сечением.
Применение сварочных проволок с возможно более низкой температурой плавления. При сварке плавлением околошовная зона нагревается до температур, близких к температуре плавления. В этих условиях в пограничных со швом зернах металла развивается высокотемпературная химическая неоднородность и наблюдается подплавление границ. Это подплавление приводит к образованию особого вида дефектов — надрывов. При последующем остывании соединения надрывы служат очагами возникновения холодных трещин.
Очевидно, что в том случае, когда температура плавления металла шва ниже температуры плавления основного металла, создаются условия для «залечивания» (заполнения) надрывов жидким металлом и соответствующего снижения опасности образования трещин. Характерный пример залечивания надрыва на кромках среднелегированной стали аустенитным металлом шва показан на рис. 10-14.
Рис. 10-14. Надрыв в околошовной зоне, шва; X 200
«залеченный» аустенитным металлом,
Высокая стойкость соединений легированных сталей с аустенитным и бейнитно-мартенситным швами против образования холодных околошовных трещин может быть обусловлена не только интенсивным нарастанием в них временных напряжений, как это было показано выше, но и низкой температурой плавления сварочных проволок.
По нарастанию температуры плавления сопоставляемые швы располагаются в следующий ряд: аустенитный шов (проволока Св-08Х20Н9Г7Т) — Тпл 1460° С; мартенситно-бейнитный шов (проволока Св-10Х5М) — Тпл 1510° С; ферритно-перлитный шов (проволока Св-08ГА) — Т„л 1520° С. В такой же последовательности располагаются соединения с перечисленными швами и по стойкости против образования холодных трещин в околошовной зоне.
Рис. 10-15.
Влияние содержания водорода в металле шва на стойкость против образования холодных околошовных трещин сварных соединений легированных сталей с повышенным (а) и пониженным (б) содержанием углерода и легирующих элементов
Уменьшение содержания водорода в основном металле и в металле шва. Понижение содержания водорода весьма эффективно предупреждает образование холодных трещин. Отрицательное влияние водорода наиболее сильно проявляется при сварке сталей с относительно низким содержанием углерода и легирующих элементов и соответственно низкой склонностью к образованию закалочных трещин.
Например, понижение содержания водорода в металле шва в 1,5—2 раза приводит к двукратному повышению стойкости соединений против образования трещин при сварке под флюсом стали 25ХГСА и весьма небольшому ее повышению при сварке стали 42Х2ГСНМА. Оценку стойкости сварных соединений против образования холодных трещин производили по кривым замедленного разрушения. Соответствующие кривые замедленного разрушения для сопоставляемых соединений приведены на рис. 10-15 (а—■ сталь 42Х2ГСНМА и б— сталь 25ХГСА).
Термообработка сварных соединений сразу же после окончания сварки. Термообработку следует производить в период от момента окончания сварки до момента, пока еще холодные трещины не возникли. В одних случаях это время составляет несколько десятков часов, в других — несколько минут.
Своевременная термообработка соединений может полностью устранить опасность образования холодных трещин. Дело в том, что закаленные стали после отпуска, особенно высокого, практически не снижают прочности при длительном статическом нагружении, т. е. они становятся несклонными к замедленному разрушению. Термообработку соединений сразу же после сварки можно осуществить при помощи индукционного или пламенного нагрева или же наложением дополнительного слоя с применением соответствующего режима сварки. Индукционный или пламенный нагрев сравнительно просто осуществить для соединений небольших толщин простой формы.
Для соединений больших толщин сложной формы, в которых наиболее вероятно образование трещин, целесообразнее термо-
35 Заказ № 782 545
Рис. 10-16. Сварка с отжигающим (а) и без отжигающего (б) слоя. Сталь 35X3H3M
обработка путем наложения дополнительного, так называемого отжигающего слоя. Сущность этого способа состоит в том, что многослойная сварка шва осуществляется с применением специальных режимов, обеспечивающих термообработку нижележащего слоя и околошовной зоны при наложении последующего слоя, близкой к высокому, но весьма кратковременному отпуску.
Положительный эффект достигается и в том случае, когда нижележащий слой околошовной зоны подвергается закалке, но без перегрева. Двухслойный стыковой шов, в котором второй слой обеспечил полную перекристаллизацию участка крупного зерна околошовной зоны от первого слоя, показан на рис. 10-16, а. Это соединение отличается от обычного (рис. 10-16, б) значительно большей стойкостью против околошовных трещин.
Если время до возникновения трещин измеряется часами, то возможно предотвратить образование трещин, прибегая к обычной печной термообработке.
Предварительная наплавка кромок. Сущность способа состоит в том, что перед сваркой на кромки наплавляют слой аустенитного или ферритного металла. Способ позволяет предупредить образование околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного напряженного состояния на границе раздела металл шва — основной металл. При сварке шва наплавленная около- шовная зона может подвергаться отпуску, что также уменьшает опасность образования трещин.
Применение наплавки кромок позволяет осуществить и полную термообработку деталей с наплавленными кромками и полностью устранить неблагоприятные структурные изменения в околошовной зоне даже в том случае, когда термообработка после сварки невозможна или затруднена. Наплавка кромок металлом того же состава, что и основной металл, или переплав кромок неплавящимся электродом также значительно повышают стойкость соединений против образования отколов. В этом случае положительное влияние наплавки обусловлено мелкодисперсным
распределением в переплавленном металле неметаллических включений и благоприятным изменением их формы и химического состава. Предварительная наплавка кромок является весьма трудоемким и дорогим способом предупреждения трещин и поэтому редко применяется.
Прочие методы борьбы с холодными трещинами. Кроме описанных выше хорошо проверенных методов борьбы с холодными трещинами известны и разрабатываются еще и такие.
Проковка сварных соединений с помощью пневматических устройств и обработка их ультразвуком сразу же после окончания сварки, что позволяет в сварных соединениях ослаблять пиковые значения напряжений 1-го и 2-го родов.
Б. Понижение температуры сварных соединений ниже 0° С сразу же после их остывания до комнатной температуры (замораживание соединений). Положительный эффект замораживания следует связывать с повышением сопротивляемости закаленного металла локальным пластическим деформациям, ответственным за зарождение и развитие трещин. Следует, однако, иметь в виду, что после размораживания трещины снова образуются даже с большей интенсивностью, чем до замораживания. Указанный способ целесообразно применять лишь в некоторых специфических условиях, например, для консервации мелких сварных деталей до термообработки.
Предупреждение увлажнения сварных соединений после окончания сварки. Из специальных опытов, а также из практики известно, что наличие влаги на сварных соединениях значительно повышает опасность образования в них холодных трещин. В осеннезимний период, а также при сварке на открытом воздухе, когда вероятность увлажнения соединений значительно увеличивается, возрастает и опасность образования холодных трещин. Под влиянием влаги микродефекты шва и особенно околошовной зоны становятся очагами зарождения и развития холодных трещин.
Рассмотренные способы предупреждения образования холодных трещин чаще всего применяют совместно. Рациональный выбор марки стали, как правило, сочетается с надлежащим выбором термического цикла сварки, состава сварочной проволоки, способов регулирования временных напряжений, ограничением содержания водорода в металле шва и т. д. Такое комплексное использование различных методов позволяет сваривать без трещин практически' все среднелегированные стали, включенные в табл. 10-7.
§ 10-5. Особенности сварки конструкций из среднелегированных сталей при различной термообработке
В зависимости от размеров сварной конструкции, деформируемости ее при высокотемпературном нагреве, предъявляемых к соединениям требований, наличия оборудования для
35*547
термообработки, а также экономичности изготовления конструкции сварные соединения из среднелегированных сталей могут подвергаться и не подвергаться термообработке. Технология сварки существенно зависит от вида термообработки соединений после сварки.
Сварные соединения, подвергающиеся полной термообработке. Сварные соединения из среднелегированных сталей подвергают полной термообработке (закалке с последующим отпуском) во всех случаях изготовления ответственных и тяжелонагруженных конструкций, когда это возможно. Последующую полную термообработку производят, если позволяют габаритные размеры конструкций и обеспечиваются условия предупреждения деформаций при термообработке.
После полной термообработки сварное соединение, как правило, становится равноценным основному металлу по всему комплексу физико-химических свойств при условии, что химический состав металла шва и свариваемой стали будет одинаков. В ряде случаев при одинаковых с основным металлом химическом составе и термообработке металл шва может иметь механические свойства, превышающие свойства основного металла. Это обусловлено более благоприятной структурой первичной кристаллизации и большей химической однородностью металла шва по сравнению с катаным металлом, полученным из относительно крупных слитков.
В этой связи весьма показательны данные табл. 10-8, в которой сопоставлены механические свойства при комнатной температуре среднелегированных сталей 28ХЗСНМВФА, 42Х2ГСНМА и 20Х2МА и металла швов, выполненных электроннолучевой и
Таблица 10-8
Механические свойства среднелегированных сталей и металла шва
Материал
Сварка
Участок соединс-
S
S
о” я
S
5 s'
28ХЗСНМВФА
Аргоно-дуговая
Шов
187
158,2
11,5
56,8
5,9
с поперечными колебаниями
электрода
Основной металл
170
152
8,3
47,4
4,8
42Х2ГСНМА
Электронно-
Шов
184
—.
15,6
54,5
5,2
лучевая
Основной металл
182,8
144,1
9,6
26
4,3
20Х2МА
То же
Шов Основной металл
66
64,3
57,5
48,5
28,9
24,5
72
62,8
22,5
18,7
электродуговой сваркой в среде аргона вольфрамовым электродом с колебаниями. Химический состав и термообработка сопоставленных металлов одинаковы. Сталь 42Х2ГСНМА (6 = 4 мм) проходила закалку и отпуск при температуре 250° С, а сталь 20Х2МА (6 = 60 мм) — закалку и отпуск при температуре 640° С. Металл шва, особенно при электроннолучевой сварке высокопрочной стали 42Х2ГСНМА, превосходит основной металл по показателям пластичности и вязкости.
Между тем в практике часто бывают случаи, когда металл шва, близкий к основному металлу по химическому составу, после термообработки обладает не лучшими, а худшими вязкостью и пластичностью. Такое ухудшение свойств обычно происходит вследствие повышения в металле шва содержания газов, серы и фосфора, образования микродефектов, неполного устранения химической неоднородности и столбчатой структуры при термообработке, проводимой на режиме, принятом для основного металла, и других причин.
В связи с этим сварку следует производить плавящимся электродом того же состава, что и основной металл, или же неплавя- щимся электродом, ограничивать угар легирующих элементов и предупреждать загрязнение металла шва газами и вредными примесями, которые могут проникнуть в зону сварки из окружающей атмосферы или сварочных материалов. Металлургическое воздействие при сварке среднелегированных сталей должно заключаться главным образом в улучшении первичной структуры металла шва путем ускорения кристаллизации и модифицирования его присадкой малого количества таких элементов, как титан, алюминий и др., а также регулирования количества, формы и распределения неметаллических включений.
Однако иметь одинаковый химический состав металла шва и основного металла далеко не всегда возможно вследствие опасности возникновения в швах кристаллизационных трещин. Особенно большие отступления от этого условия приходится допускать при дуговой сварке среднелегированных сталей средних и больших толщин с повышенным содержанием углерода, никеля и кремния. Понижая содержание в шве этих элементов, с целью предупреждения чрезмерного ухудшения его механических свойств прибегают к дополнительному легированию элементами, повышающими стойкость против образования кристаллизационных трещин (марганцем, хромом, титаном). Примером такого решения может быть использование для сварки стали ЗОХГСНА сварочной проволоки Св-20Х4ГМА.
Подобный метод повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин следует применять совместно с использованием режимов сварки, обеспечивающих высокое значение коэффициента формы шва, избегать узкой и глубокой разделки кромок под сварку и в отдельных случаях применять также предварительный подогрев. Комплексное исполь-
549
зование методов борьбы с кристаллизационными трещинами позволяет получить соединения со швами, в меньшей степени отличающимися от основного металла по химическому составу.
При выборе состава проволоки для сварки среднелегированных сталей нужно учитывать, что часть легирующих элементов и углерода поступает в шов из основного металла в соответствии с его долей участия в образовании шва. Эта доля определяется методом и режимом сварки и может изменяться от 15 до 80%.
В сварных соединениях, подвергающихся полной термообработке, можно меньше считаться с влиянием первичной структуры на свойства металла шва, чем в соединениях, не подвергающихся термообработке. Грубозернистая структура участка перегрева околошовной зоны при термообработке практически полностью устраняется. Все это позволяет применять для сварки термообрабатываемых конструкций высокопроизводительные режимы и методы сварки, при использовании которых в сварных соединениях непосредственно после сварки может образоваться грубокристаллическая структура. К таким методам относится электро- шлаковая сварка, а также сварка под флюсом при большой погонной энергии.
Термообработка сварных соединений обычно производится по режимам, установленным для свариваемой стали. Во всех случаях, когда металл шва отличается по химическому составу от основного металла, необходимо проверять соответствие этих режимов конкретным сварным соединениям. В отдельных случаях может оказаться необходимой некоторая их корректировка. В частности, если металл шва содержит меньше углерода и легирующих элементов, чем основной металл, для обеспечения полной перекристаллизации его приходится повышать температуру нагрева под закалку. Повышение температуры также благоприятно и для более полного устранения дендритной неоднородности в металле шва и перегрева околошовной зоны. Контроль пригодности того или иного режима термообработки ведут с учетом механических свойств и микроструктуры металла сварного соединения.
При необходимости следует также проверять коррозионную стойкость сварных соединений, их прочность и сопротивляемость ползучести при высоких температурах, а также другие специальные свойства (электрические, магнитные и т. п.). Следует учитывать, что сравнительно небольшое отличие химического состава металла шва от основного металла в отдельных случаях может привести к заметному снижению некоторых специальных свойств.
Сварные соединения, не подвергающиеся термообработке после сварки. Большие скорости кристаллизации и остывания металла шва позволяют при соответствующем легировании и подборе режима сварки обеспечить его равнопрочность с основным металлом для среднелегированных сталей с временным сопротивлением до 100 кгс/мм2. При этом пластичность и вязкость металла шва остаются достаточно высокими. Столь высокие свойства дости-
Рис. 10-17. Микроструктура металла шва при сварке среднелегированных сталей (без термообработки) при недостаточных (а), оптимальных (б) и чрезмерных (в) содержаниях углерода и легирующих элементов, и оптимальных скоростях охлаждения соединений; X 110
гаются при условии улучшения не только первичной, но и вторичной структуры металла шва и предупреждения перегрева и разупрочнения в процессе сварки металла околошовной зоны.
Вторичную структуру металла шва можно измельчить в процессе сварки и получить при этом оптимальные механические свойства при условии применения таких термических циклов сварки, при которых распад переохлажденного аустенита произойдет преимущественно в нижней части температурного интервала ферритно-перлитного превращения. В этой области образуется мелкозернистая ферритная матрица, в которую вкраплены весьма мелкодисперсные продукты перлитно-бейнитного превращения (рис. 10-17, а). При этом важно предупредить образование крупных участков избыточного феррита (рис. 10-17, б), снижающих прочность и особенно ударную вязкость металла шва при низких температурах.
Для достижения этого необходимо увеличить в определенных пределах скорость охлаждения шва и повысить содержание в нем углерода и стабилизирующих аустенит легирующих элементов. Эти пределы определяются тем, чтобы не допустить смещения превращения аустенита в шве в мартенситную область. Швы с большим количеством мартенсита (рис. 10-17, в) в сварных конструкциях недопустимы из-за низких пластичности и вязкости. Кроме того, весьма трудно предупредить образование холодных трещин в таких швах.
Примером термически необработанных швов на среднелегированных сталях типа ЗОХГСА с оптимальной вторичной структурой (рис. 10-17, б) и достаточно высокими показателями прочности, пластичности и вязкости могут быть швы, полученные при дуговой сварке под флюсом и в среде защитных газов на умеренных режимах с применением сварочных проволок Св-ЮГСМТ,
551
Св-08ХЗГ2СМ, Св-10ХГСН2МТ. При многослойной сварке таких сталей с использованием проволоки Св-10ХГСН2МТ и флюса АН-15 на режиме /св = 500 A, UR = 32 В, исв = 40 м/ч обеспечивается получение металла шва с высокими механическими свойствами: <тв > 80 кгс/мм2; 65 > 20%; ан > 12 кгс-м/см2 при +20° С и 8 кгс-м/см2 при —40° С.
Для повышения производительности при многослойной сварке соединений, не подвергающихся последующей термообработке, следует рекомендовать многодуговую сварку раздвинутыми дугами. При этом наряду с повышением производительности и сохранением всех преимуществ многослойной сварки в отношении качества металла шва достигается высокая стойкость сварных соединений против отколов.
При сварке особо ответственных конструкций, не подвергающихся последующей термообработке, в тех случаях, когда равно- прочность не является обязательным условием, используют сварочную проволоку с высоким содержанием легирующих элементов, обеспечивающих получение металла шва с аустенитной структурой и с временным сопротивлением до 55 кгс/мм2. Обладая гранецентрированной решеткой, металл шва с аустенитной структурой отличается высокой пластичностью и вязкостью даже при грубой литой структуре. Он не теряет этих свойств ни при низких температурах, ни при ударном приложении нагрузки. Сварные соединения с аустенитными швами применяют в самых ответственных и тяжелонагруженных конструкциях. Весьма ценным их свойством является высокая стойкость против образования трещин в околошовной зоне.
Для сварки среднелегированных сталей используют сварочную проволоку аустенитного класса Св-07Х25Н13 или Св-08Х20Н9Г7Т (§ 7-1). Повышают долю электродного металла в металле шва путем применения постоянного тока прямой полярности, трехфазной сварки и других приемов. При этих условиях можно со сравнительно высокой производительностью сваривать соединения аустенитным швом, не опасаясь разбавления аустенитного металла шва основным металлом и снижения его стойкости против образования кристаллизационных трещин, что имеет место при применении проволоки с более высоким содержанием легирующих элементов.
К недостаткам сварки среднелегированных сталей аустенитной сварочной проволокой кроме пониженной прочности металла шва следует отнести высокую стоимость проволоки и возможность возникновения отрывов по зоне сплавления.
Сварные соединения, подвергающиеся после сварки только высокому отпуску. В случаях, если нельзя применить закалку, конструкции или соединения после сварки, например, из-за опасности деформаций, но необходимо несколько повысить механические свойства металла шва и околошовной зоны и снять сварочные напряжения, прибегают к высокому или низкому отпуску
552
сварных конструкций. Высокий отпуск (нагрев до температур 600—650° С) более эффективен, чем низкий, так как обеспечивает полное снятие сварочных напряжений и устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность металла несколько понижается, а пластичность и ударная вязкость существенно повышаются.
Отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и, следовательно, не может устранить ни столбчатой структуры, ни явлений перегрева в околошовной зоне. Поэтому необходимо применять те же технологические меры по измельчению первичной и вторичной структур металла шва и околошовной зоны, что и в случае сварки среднелегированных сталей без последующей термообработки.
Улучшение пластичности и вязкости металла шва в результате отпуска допускает его значительно большее легирование по сравнению со швами, не подвергающимися термообработке. В связи с этим в соединениях, подвергающихся отпуску, превращение переохлажденного аустенита в металле шва может происходить в области бейнитного и мартенситного превращения с образованием игольчатой структуры (см. рис. 10-17). При отпуске такой металл приобретает высокую пластичность и вязкость в сочетании с достаточно высокой прочностью. Если же подвергнуть отпуску соединения, не повышая легирования металла шва, то прочностные и вязкие свойства его могут заметно понизиться.
§ 10-6. Особенности различных видов сварки плавлением среднелегированных сталей
Дуговая сварка покрытыми электродами. В настоящее время большинство конструкций из среднелегированных сталей сваривают вручную. К основным особенностям этого способа следует отнести использование низководородистых электродов с фтористо-кальциевым покрытием (см. §7-3), применение постоянного тока обратной полярности, выполнение швов большого сечения каскадным и блочным методами. Используя перечисленные технологические приемы, стремятся максимально увеличить разогрев области шва, особенно при сварке сталей большой толщины. Существенно способствует предупреждению трещин повышение температуры разогрева более 150° С. Для достижения такого разогрева используют, в частности, каскадный метод сварки при сравнительно небольшой длине его ступени (менее 200 мм).
Режимы дуговой сварки среднелегированных сталей покрытыми электродами подбирают в зависимости от типа стержня. При ферритном стержне они не отличаются от режимов, применяемых при сварке низкоуглеродистых сталей, при аустенитном — от режимов сварки аустенитных сталей.
Сварка под флюсом. При изготовлении конструкций из среднелегированных сталей из всех механизированных процессов 553
сварка под флюсом нашла наиболее широкое применение. С ее помощью в настоящее время изготовляют конструкции разнообразного назначения, преимущественно из металла толщиной 4—50 мм. В отдельных случаях под флюсом сваривают и более тонкий, и более толстый металл.
По сравнению с ручной сваркой, а также другими видами механизированной сварки сварка под флюсом обеспечивает более высокую производительность. Особенно значительны ее преимущества при однопроходной сварке. В этом случае можно наиболее полно использовать особенности сварки под флюсом для глубокого проплавления основного металла, применения больших токов, а также избежания затруднений с удалением шлаковой корки. Если соединения обладают достаточно высокой стойкостью против образования трещин и подвергаются последующей термообработке, однопроходную сварку под флюсом можно производить на режимах, применяемых при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Режимы сварки под флюсом соединений из сталей ЗОХГСА и ЗОХНМ, не подвергающихся последующей термообработке, приведены в табл. 10-9.
При сварке сталей и соединений с пониженной стойкостью против образования трещин (повышенное содержание углерода и легирующих примесей, большая толщина листов или большая жесткость их закрепления) приходится применять дополнительные меры: использование постоянного тока обратной полярности, предварительный подогрев или разогрев области шва при наложе-
Таблица 10-9
Типичные режимы сварки под флюсом среднелегированпых сталей низколегированной проволокой
Тип
Толщина металла, катеты
Диаметр сварочной проволоки,
'св’ А
В
усв каждого слоя, м/ч
Число слоев
6
3
250—280
30—32
25—28
1
Стыко-
10
3
350—380
30—32
17—20
2
ВОЙ
12
3
350—380
30—32
15—18
2
12
и больше
5
500—550
30—32
30—36
2
и больше
4X4
2
180—200
28—30
25—28
1
Угловой
ЮХ 10
3
350—380
30—32
17—20
2
12Х 12 и больше
5
500—550
30—32
30—36
4
и больше
Примечания: 1 Режимы сварки даны для постоянного тока обратной полярности, флюсы типа АН-42 и АН-15
2. Стыковые швы на металле толщиной 6 мм н больше сваривают с разделкой кромок под углом 60°.
нии многослойного шва, сварку первого слоя по присадочной проволоке и при увеличенном угле разделки кромок.
Для сварки под флюсом среднелегированных сталей применяют высококремнистые марганцевые флюсы АН-348-А и ОСЦ-45, низкокремнистые флюсы АН-15, АН-15М, АН-17М, АН-42, АН-20 и др. (см. §7-4). Под высококремнистыми марганцевыми флюсами сваривают соединения, к которым не предъявляются высокие требования по ударной вязкости металла шва. Обычно при использовании флюсов этого типа ударная вязкость металла шва на сталях типа ЗОХГСНА не превышает 3—4 кгс-м/см2 даже в соединениях, подвергающихся термообработке после сварки. К преимуществам сварки под такими флюсами следует отнести повышенную стойкость швов против образования кристаллизационных трещин.
Низкокремнистые флюсы с небольшим содержанием окислов марганца позволяют получать сварные соединения со значительно более высокими показателями ударной вязкости. Так, например, в сварных соединениях стали ЗОХГСНА, выполненных с применением флюса АН-15М и проволоки Св-20Х4ГМА, ударная вязкость металла шва повышается до 6—8 кгсм/см2 при <гв = 130 кгс/мм2. Отмеченное улучшение качества обусловлено уменьшением содержания в металле шва фосфора и неметаллических включений, достигаемым за счет низкого содержания во флюсах фосфора и окислов марганца.
К недостаткам флюсов АН-15, АН-15М и АН-20 следует отнести необходимость выполнения сварки на постоянном токе обратной полярности. При сварке на переменном токе в швах могут возникнуть поры. Флюс АН-42, хотя несколько уступает упомянутым флюсам в отношении ударной вязкости металла шва, однако позволяет производить сварку на переменном токе.
Сварка в защитных газах. Сварка в защитных газах находит широкое применение при изготовлении конструкций из среднелегированных сталей. К технологическим особенностям сварки среднелегированных сталей в защитных газах следует отнести тщательную осушку газа с целью предельного снижения содержания водорода в металле шва, а также использование режимов сварки, обеспечивающих пониженные скорости остывания сварных соединений. Эти меры необходимы для повышения стойкости сварных соединений против образования трещин. В качестве защитных газов при сварке среднелегированных сталей применяют преимущественно углекислый газ и аргон. Для сварки пригодны режимы, рекомендованные для соединений из низколегированных сталей со снижением силы тока на 15—20%. В основном используют проволоки Св-ЮГСМТ, Св-10ХГСН2МТ и Св-08ХЗГ2СМ.
Сварку в аргоне производят неплавящимся и в меньшей мере плавящимся электродом, в основном для изготовления ответственных конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей (ав > 150 кгс/мм2).
Рис. 10-18. Аргоно-дуговая сварка с поперечными перемещениями вольфрамового электрода: а — схема метода;
б — внешний вид шва, в — термический цикл в околошовной зоне, г — участок перегрева при сварке с применением колебаний (слева) н без них (справа),
д — металл шва при сварке с применением колебаний (слева) и без иих (справа)
Для получения сварных соединений, полностью равноценных по конструктивной прочности основному металлу, рекомендуется применять автоматическую аргоно-дуговую сварку с поперечными перемещениями неплавящегося электрода (см. рис. 10-18, а). Как правило, предусматривают выполнение сварного соединения в два слоя. При первом слое, выполняемом без поперечных перемещений электрода, обеспечивается полное проплавление свариваемых кромок. При сварке второго слоя электроду придают низкочастотные поперечные колебания (3—6 колебаний в секунду). Сварку осуществляют по присадочной проволоке, которая с помощью специального устройства подается в зону дуги. При этом достигается хорошее формирование шва (рис. 10-18, б).
Поперечные перемещения дуги оказывают многостороннее положительное влияние на качество сварных соединений, улучшается формирование шва и обеспечивается плавный переход от шва
556
к основному металлу. Существенно ослабляются столбчатая ориентация структуры металла шва и перегрев в околошовной зоне. Это достигается вследствие пульсирующего изменения температуры металла околошовной зоны вблизи линии сплавления (рис. 10-18, в). Время пребывания околошовной зоны при температурах, превышающих 1000° С, многократно уменьшается, и перегрев соответственно ослабевает (рис. 10-18, г). Непрерывное изменение фронта кристаллизации перемещающейся сварочной ванны способствует изменению направления роста столбчатых кристаллитов, их дроблению и измельчению (рис. 10-18, д).
Положительное влияние поперечных перемещений дуги проявляется только при определенных режимах сварки. При большом токе, высоком напряжении дуги, малой амплитуде и большой частоте поперечных перемещений электрода сварочная ванна не следует за дугой и описанные выше положительные результаты не достигаются.
Присадочная проволока применяется диаметром 0,8—1,6 мм. С ее помощью удается хорошо сформировать усиление шва, а также регулировать химический состав металла шва и его пластические и прочностные свойства.
В швах, выполненных при оптимальном режиме перемещений электрода, наряду с повышенной пластичностью существенно повышается также и прочность, что обусловлено увеличением поступления углерода в шов из основного металла. При малой амплитуде и большой частоте поперечных перемещений электрода никакого улучшения свойств металла шва не наблюдается (режимы 2 и 5). При оптимальной амплитуде, но малой частоте перемещений (режим 3) формирование швов неудовлетворительное (табл. 10-10).
Перемещения дуги положительно влияют на качество сварных соединений не только при сварке среднелегированных сталей, но и во всех других случаях, когда с применением аргоно-дуговой сварки необходимо получить высокие показатели механических свойств и хорошее формирование шва.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый метод увеличения глубины проплавления основного металла при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом. Метод предусматривает нанесение на свариваемые кромки тонкого слоя специального активирующего флюса-пасты (доли грамма на погонный метр). Флюс- пасту приготовляют смешиванием химически чистых компонентов на жидком парафине. Из замеса формируют цилиндрические стержни-карандаши, при помощи которых флюс наносят на свариваемые кромки посредством прочерчивания узкой полоски. Содержащиеся во флюсе фториды и окислы, попадая в дугу, способствуют существенному повышению концентрации сварочного нагрева вследствие уменьшения диаметра столба дуги, увеличения температуры плазмы и плотности тока в прианодной области.
Таблица 10-10
Механические свойства металла шва (свариваемая сталь 42Х2ГСНМЛ) при различных режимах поперечных перемещений неплавящегося электрода
№ по пор
Режим поперечных перемещений
"в’ кгс/мм8
б, %
*. %
Содер жание углерода в шве, %
1
Без перемещений
171,1 — 173,6
8,26—12 4
44,3—56,6
0,31
173,0
10,2
51,0
2
Амплитуда 2 мм, частота 8 кол/с
175,3—178,7
7,7—11,0
51,0—56 0
0,33
176,3
9,6
53,6
3
Амплитуда 3,5 мм, частота 1 кол/с
183,0—192,0
12,1 — 13,3
58 8—66,0
0,38
186,6
12,7
62,7
4
Амплитуда 3,5 мм, частота 3 кол/с
184,3—189,1
10,3—12,7
54,5—58,8
0,36
187,0
11,5
56,8
5
Амплитуда 3,5 мм, частота 8 кол/с
176,5—177,5
12,1 — 12,4
52,0—59,3
0,34
177,0
12,3
55 1
Примечание В числителе приведены минимальные н максимальные а в знаменателе средине значения механических свойств для 5 —6 образцов.
Аргоно-дуговую сварку неплавящимся электродом всегда выполняют на прямой полярности, поэтому анод расположен на основном металле. В результате существенно увеличивается глубина и уменьшается ширина проплавления основного металла (рис. 10-19, а). Открываются дополнительные возможности уменьшения перегрева околошовной зоны и улучшения структуры металла шва вследствие ускорения его кристаллизации и благодаря микролегированию через флюс-пасту металла шва титаном, цирконием, церием и др. Особо высокое качество сварных соединений можно получить при двухслойной или трехслойной аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом с применением флюсов- паст в первом слое и поперечных перемещений электрода во втором и третьем (табл. 10-11).
Следует особо отметить принципиальное значение флюсов- паст для аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом рафинированных сталей. Как показали опыты, глубина проплавления рафинированных сталей значительно меньше (примерно в 1,2 раза), а ширина швов более чем в 2 раза больше по сравнению с этими показателями сталей обычной выплавки (рис. 10-19, б) Повышение силы сварочного тока без изменения глубины проплавления увеличивает лишь ее ширину. Кроме того, увеличивается перегрев металла в околошовной зоне
Причиной уменьшения глубины проплавления рафинированных сталей при аргоно-дуговой сварке является низкое содержа-
Б58
Рис. 10-19. Форма проплавления при наплавке валика'
а — на пластину из стали обычной мартеновской выплавки;
б и в — на пластину из стали, прошедшей рафинирующий электрошла- новый переплав, с применением флюса пасты (б) и без него (в)
Таблица 10-Й
Рекомендуемые режимы аргоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом среднелегированных высокопрочных сталей с применением поперечных перемещений и флюсов-паст
Толщина металла, мм
№
А
UR- В
усв’ м/ч
уп. пр’ м/ч
^п пр’
Колебания
амплитуда,
частота, кол/с
2,0
1
85
8
12
2
90
9
12
12
1,2
2,5
3,0
2,5
1
100
8—9
12
—
—
—
2
100
8—9
12
12
1,2
2,5
3,0
1
ПО
9
12
—
—
—
—
3,0
2
НО
9
12
12
1,2
3,0
3,0
3
90
8—9
12
—
—
3,0
3,0
1
140
9—10
12
—
.—
—
—
3,5
2
140
9—10
12
12
1,6
3,0
3,0
3
90
8—9
12
—
—
3,0
3,0
1
140
11
9
—
-—
—
—
4,5
. 2
140
12
9
9
1,6
3,5
3,5
3
100
9
12
—
—
3,5
3,5
1
190
13
9
—
—
—
—
5,5
2
180
11
9
9
1,6
3,5
3,5
3
110
8
12
—
—
3,5
3,5
Примечания: I. Сварку 1-го слоя выполняют по флюсу марки ВС-2 (ВС-1).
2. Сварку 3 го слоя выполняют со стороны корня шва.
3. Индекс п. пр означает «присадочная проволока».
ние в них кислорода и серы. В результате усиливается влияние легкоионизируемых паров анода, в частности паров кальция, калия и т. п.—■ дуга расширяется, температура плазмы и плотность тока в прианодной области снижаются, что ослабляет концентрацию дугового нагрева. Эти неблагоприятные для проплавления основного металла изменения в дуговом разряде полностью устраняются с помощью флюсов-паст. Больше того, эти флюсы позволяют получить на рафинированных сталях более концентрированный дуговой нагрев, чем при сварке сталей обычной выплавки.
Описанный метод аргоно-дуговой сварки с применением флюсов-паст открыл возможность широкого использования рафинированных сталей для изготовления тонколистовых сварных конструкций.
Такие стали отличаются весьма низким содержанием серы (0,002%) и кислорода (0,001%). Столь глубокое рафинирование достигается путем применения электрошлакового, электроннолучевого и других видов переплава, а также при дополнительном, рафинировании стали в ковше синтетическими шлаками. Рафинированные стали идут на изготовление особо ответственных конструкций и прежде всего тяжелонагруженных сварных конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Рафинирование
позволяет повысить надежность конструкций при самых тяжелых условиях эксплуатации и улучшает некоторые показатели свариваемости: сопротивление образованию трещин, пор, хрупких разрушений. Ухудшаются только показатели проплавления рафинированных сталей при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом.
Сварка в защитных газах с успехом применяется также для соединения металла средней и большой толщины. Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять многопроходную сварку при каскадном расположении слоев, сокращать до минимума перерывы между наложением отдельных слоев, а также осуществлять многодуговую сварку при большом расстоянии между дугами. В ряде случаев эта особенность сварки в защитных газах позволяет отказаться от предварительного подогрева.
Электрошлаковая сварка. Сварные соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных сталей, подвергающиеся последующей термообработке, наиболее целесообразно выполнять электрошлаковой сваркой. Наряду с высокой производительностью и экономичностью сварочных работ при этом обеспечивается и высокое качество сварных соединений, главным образом благодаря высокой стойкости металла околошовной зоны и шва против образования трещин. Однако при неблагоприятных условиях при электрошлаковой сварке могут возникать кристаллизационные трещины в металле шва, а также горячие и холодные трещины типа отколов в участке перегрева околошовной зоны (рис. 10—20).
Трещины-отколы возникают преимущественно в начале шва особенно после возобновления прерванного процесса сварки, а также при большой жесткости соединяемых элементов. Эти трещины, как правило, образуются через несколько часов по окончании сварки. Их образование можно предотвратить, если соединения сразу же после сварки подвергуть высокому отпуску. Способствует предупреждению трещин и некоторое замедление процесса сварки, достигаемое путем уменьшения силы сварочного тока и увеличения ширины шва.
Для предупреждения образования отколов при сварке жестко- закрепленных элементов применяют предварительный подогрев начального участка или всего шва. Предварительный подогрев до температуры 150—200° С необходим для предупреждения образования отколов и горячих трещин при сварке замыкающего участка круговых швов толстостенных сосудов толщиной более 100 мм.
Характер образования горячих трещин в околошовной зоне среднелегированных сталей не отличается от характера образования подобных дефектов при сварке сталей других типов (см. § 6-2). Наиболее действенной технологической мерой предупреждения подобных дефектов является применение режимов сварки, обеспечивающих получение широких швов с глубоким проплавлением
Рис. 10-20. Околошовные трещины при электрошлановой сварке-
а — откол,
б — горячие трещины-надрывы
свариваемых кромок. Такие режимы характеризуются повышенным напряжением сварки.
Особые трудности с предупреждением надрывов в околошовной зоне возникают при электрошлаковой сварке замыкающего участка круговых швов толстостенных сосудов. Сварку этого участка производят в условиях предельно жесткого закрепления соединяемых элементов.
Для предупреждения образования надрывов в этом случае применяют специальный технологический прием (рис. 10-21). Начальный участок шва сваривают на повышенном напряжении и получают шов увеличенной ширины (Ь = 70 —80 мм), затем напряжение снижают. В процессе сварки погонной части шва с помощью газовой резки в начале шва прорезают щель шириной около 30 мм Эта щель служит для последующей сварки участка замыкания шва На кромках щели остается относительно толстый слой металла шва (около 20 мм), в котором располагается участок перегрева околошовной зоны. Высокая стойкость металла шва против образования надрывов, обусловленная равномерным и мелкодисперсным распределением неметаллических включений, и приводит в конечном счете к предупреждению появления этих дефектов в участке замыкания круговых швов.
Вероятность образования надрывов при электрошлаковой сварке можно ослабить, если использовать для изготовления
562
толстостенных конструкций стали, микролегированные церием, титаном, алюминием и другими активными по отношению к вредным примесям элементами. Эти элементы связывают примеси в дисперсные тугоплавкие соединения, равномерно распределенные в свариваемом металле. Наиболее важным в этом отношении является нейтрализация вредного влияния серы. Наилучшие же результаты достигаются при сочетании микролегирования с элек- трошлаковым переплавом основного металла, благодаря чему не только предупреждается образование трещин, но и значительно повышается стойкость околошовной зоны против хрупких разрушений
Помимо трещин в околошовной зоне замыкающего участка кругового шва образуются и трещины в металле шва. По этой причине сварку этого участка приходится выполнять с понижением силы тока до 200—250 А.
Для электрошлаковой сварки среднелегированных сталей (см §10-7) применяют флюсАН-8и сварочные проволоки Св-10Г2, Св-12Г2Х, Св-10ГСМТ, Св-18ХМА и Св-10Х5М. Повышение содержания углерода и некоторых легирующих элементов в шве достигается за счет увеличения доли основного металла в металле шва. При использовании режимов сварки, приведенных в табл. 10-12, эта доля превышает 50%.
В ряде случаев большие трудности возникают в связи с необходимостью выполнения печной высокотемпературной термообработки сварных соединений крупногабаритных конструкций, изготовленных с применением электрошлаковой сварки. Поэтому большое внимание уделяется вопросу изыскания технологии сварки, марок сталей и сварочных материалов, которые позволили бы отказаться от такой термообработки.
Для устранения перегрева в околошовной зоне можно использовать специальный метод электрошлаковой сварки, предусматривающий наплавку на кромки слоя металла, стойкого против перегрева.
Рис. 10-21. Схема электрошлаковой сварки круговых швов толстостенных конструкций (6 = 80 мм), позволяющая избежать образования надрывов в участке замыкания
Таблица 10-12
Типовые режимы электрошлаковой сварки среднелегированных сталей
Параметры
Толщина металла, мм
30—60
90-120
180-200
Число электродных проволок (сила тока на каждую электродную проволоку 400—450 А) . . .
1
2
3
Напряжение сварки, В:
а) прямолинейные швы, погонная и замыкающая части круговых швов
40—46
46—50
46—50
б) начальный участок круговых швов . . .
46—52
52—56
52—56
Скорость поперечного перемещения электродных проволок, м/ч
38—40
38—40
38—40
Зазор между кромками, мм
20—22
28—30
32—34
Ограничения перегрева в околошовной зоне и предупреждения образования грубокристаллической структуры в металле шва можно достигнуть также следующими приемами: 1) уменьшением зазора между кромками, использованием сварочных проволок малых диаметров (1,6—2 мм) и больших вылетов электрода; 2) осуществлением выделения основной части энергии в зоне сварки непосредственно у ползунов и ускорением в результате этого охлаждения соединения. В отдельных случаях такое ускорение охлаждения достигается путем опрыскивания соединения водой при помощи специального устройства; 3) прерывистой подачей энергии в зону сварки при помощи специальных прерывателей. При этом обеспечивается минимальное, но достаточное проплавление свариваемых кромок, а ширина участка перегрева уменьшается.
Особое внимание уделяется металлургическому направлению исследований проблемы отказа от высокотемпературной термообработки соединений, выполненных электрошлаковой сваркой. Сущность этого направления состоит в изыскании рационального легирования сталей и сварочных проволок, а также выборе составов сварочных флюсов, позволяющих получать достаточно высокие механические свойства околошовной зоны и металла шва без применения высокотемпературной термообработки.
Проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона исследования применительно к стали 12ХМ показали перспективность рафинирования и микролегирования основного металла церием, алюминием и титаном, а также повышенного легирования хромом и дополнительного легирования марганцем и никелем. Механические свойства металла шва можно повысить, дополнительно легируя его небольшими количествами циркония и применяя флюс АН-22 взамен флюса АН-8. При этом повышение механических свойств достигается в основном за счет улучшения первичной и вторичной
структуры металла шва, а также вследствие уменьшения количества и улучшения состава и распределения неметаллических включений.
Для упрочнения и удешевления изготовления сварных конструкций при помощи электрошлаковой сварки используют местную термообработку. Газопламенные или индукционные нагреватели располагают с одной стороны при термообработке соединений толщиной до 80 мм и с двух сторон — толщиной до 160 мм. По механическим свойствам соединений местная термообработка не уступает печной.
Благодаря применению рассмотренных методов непрерывно расширяется номенклатура ответственных сварных конструкций, изготовляемых электрошлаковой сваркой без высокотемпературной обработки вообще или же при замене печной обработки местной термообработкой соединений.
Электроннолучевая сварка. Этот вид сварки целесообразен во всех случаях, когда необходимо с высокой производительностью и при ограниченной термообработке получить сварные соединения, равнопрочные (равноценные) с основным металлом—■ высококачественной металлургически и термически улучшенной среднелегированной сталью. Соединения, сваренные электронным лучом, отличаются высокой стойкостью против образования холодных трещин, а также минимальной величиной сварочных деформаций. Отмеченные преимущества способа обусловлены высокой концентрацией и большой скоростью нагрева, кинжальной формой проплавления основного металла, большими скоростями кристаллизации и охлаждения сварочной ванны и сварного соединения в целом.
Погонная энергия однопроходной электроннолучевой сварки в несколько раз меньше, чем при других видах сварки плавлением (табл. 10-13). Так, в случае стыкового соединения металла толщиной 30 мм она составляет примерно 3 ккал/см при электроннолучевой и 30 ккал/см при дуговой сварке под флюсом. Благодаря большим скоростям нагрева и охлаждения в электроннолучевых соединениях формируется весьма мелкозернистая структура металла шва (рис. 10-22) и предельно ограничиваются перегрев и разупрочнение околошовной зоны (см. рис. 10-8). Ширина столбчатых кристаллитов и ликвационных прослоек по их границам при электроннолучевой сваркезначительно меньше, чем при дуговой однопроходной сварке стали такой же толщины.
Электроннолучевая сварка с большой скоростью значительно повышает производительность процесса в особенности при замене многослойной электродуговой сварки однопроходной электроннолучевой. Сопоставление режимов и погонной энергии сварки, показателей прочности и степени разупрочнения для сварных соединений высокопрочной стали 42Х2ГСНМА (ав = 205 кгс/мм2, 6 = 4,5 мм) приведено в табл. 10-14.
Толщина ме талла,Ав- мАусв’ м/чs/y, кал/см2,2100902403,0140903004,5180903905,02009043015,024045100020,025020240030,0400203900Толщина ме талла,Ав- мАусв’ м/чs/y, кал/см2,2100902403,0140903004,5180903905,02009043015,024045100020,025020240030,0400203900Таблица 10-13Типовые режимы электроннолучевой сварки сталей (t/уск = 25 кВ)Таблица 10-13Типовые режимы электроннолучевой сварки сталей (t/уск = 25 кВ)Рис. 10-22. Микроструктура металла шва при электроннолучевой сварке стали ЗОХГСНА толщиной 20 мм (без высокотемпературной обработки), X 300
Толщина ме талла,
Ав- мА
усв’ м/ч
s/y, кал/см
2,2
100
90
240
3,0
140
90
300
4,5
180
90
390
5,0
200
90
430
15,0
240
45
1000
20,0
250
20
2400
30,0
400
20
3900
Толщина ме талла,
Ав- мА
усв’ м/ч
s/y, кал/см
2,2
100
90
240
3,0
140
90
300
4,5
180
90
390
5,0
200
90
430
15,0
240
45
1000
20,0
250
20
2400
30,0
400
20
3900
Таблица 10-13
Типовые режимы электроннолучевой сварки сталей (t/уск = 25 кВ)
Таблица 10-13
Типовые режимы электроннолучевой сварки сталей (t/уск = 25 кВ)
термоупрочненных сталейтермоупрочненных сталейсваркесваркесварные соединения практически равноценны основному металлу, тогда как при аргоно-дуговой сварке эти соединения имеют значительное разупрочнение. При других способах сварки плавлением таких показателей достичь также не удается. Указанная разница в свойствах еще более разко проявляется при испытании соединений в условиях двухосного растяжения и при оценке конструктивной прочности соединений.
термоупрочненных сталей
термоупрочненных сталей
сварке
сварке
В связи с этим весьма показательны результаты испытаний сварных соединений стали ЗОХГСНА, выполненных электроннолучевой и другими способами сварки, на повторно-статический изгиб. Эти испытания показали, что качество соединений, выполненных электроннолучевой сваркой, значительно превосходит таковое при других способах сварки и практически равноценно
основному металлу.
К трудностям электроннолучевой сварки среднелегированных сталей средних и больших толщин относится чувствительность к повышенному содержанию в основном металле углерода, легирующих элементов и газов, в частности кислорода. Так, например, при сварке сталей толщиной более 30 мм с содержанием более 0,2%С в швах возникают кристаллизационные трещины. Если содержание кислорода в стали превышает 0,02%, электроннолучевая сварка становится практически невозможной из-за повышенного
Режимы сварки, прочность и степень разупрочнения
для сварных соединений стали 42Х2ГСНМА (после низкого отпуска)
Сварка
^св’ А
и, в
усв’
9/У. кал/см
"в’ кгс/мм2
Степень раз- упроч нения, %
Аргоно дуговая одно проходная
Электроннолучевая
240 0,18
27
24 000
1,52
2,5
611
373
160
192
22
6
разбрызгивания жидкого металла и образования пор в шве. В то же время при сварке сталей толщиной до 25 мм при соответствующем выборе режима сварки обеспечивается качественное соединение без пор и трещин даже при содержании 0,3% С (например, сварка трубчатых узлов из стали ЗОХГСНА).
При больших толщинах основного металла особо существенное значение приобретает точность ведения луча по стыку, так как вследствие кинжальной формы проплавления незначительное смещение луча от линии сварки или небольшой его перекос приводит к образованию непроваров.
§ 10-7. Рекомендуемая технология сварки некоторых марок среднелегированных сталей
При определении технологии сварки среднелегированных сталей нужно исходить из приведенных выше (см. §§ 10-4— 10-6) сведений о зависимости условий сварки от вида термообработки, а также особенностей различных методов сварки, применяемых для рассматриваемого класса сталей (табл. 10-15).
§ 10-8. Состав и свойства высоколегированных сталей и сплавов
Высоколегированными называют стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5—55%.
Высоколегированные сплавы подразделяют на две большие группы: а) сплавы на железоникелевой основе и б) сплавы на никелевой основе К железоникелевым отнесены сплавы, структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (сумма содержаний никеля и железа более 65% при приблизительном отношении никеля к железу 1 : 1,5). К никелевым отнесены сплавы, структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никелевой основе (содержание никеля не менее 55%).
Сварочные материалы,
применяемые для сварки некоторых среднелегированных сталей, и механические свойства металла швов
Термообработка сварного соединения
Марки электрода, сварочной проволоки н флюса
Механические свойства (не менее)
Сварка
5
s'
а® *
Покрытыми электродами
ВИ9-6 (Св-18ХМА)
80
18
5
Закалка и высокий отпуск, ов = = 90 кгс/мм2
Под флюсом
Св-18ХМА, АН-348-А Св-18ХМА, АН-15 Св-20Х4ГМА, АН-15 Св-20Х4ГМА,
АН-15М
80
80
90
90
18
18
14
15
4
6
7
12
В углекислом газе
Св-10ГСМТ
80
18
6
Электро- шлаковая
Св-18ХМА, АН-8
100
—
6
< и
X
Покрытыми электродами
ВИ-10-6 (Св-18ХМА), НИАТ-ЗМ
100
—
6
S
< и
X
Закалка и средний отпуск, ов = = 130 кгс/мм2
Под флюсом
Св-18ХМА, АН-348-А Св-18ХМА, АН-15 Св-20Х4ГМА, АН-15
Св-20Х4ГМА, АН-15М
100
100
130
130
8
9
4
6
5
6
В углекислом газе
Св-08ХЗГ2СМ
ПО
12
5
Электроннолучевая
—
125
11
5
Без термообработки
Покрытыми электродами
ВИ9-6 (Св-08)
ВИ9-6 (Св-18ХМА)
ВИ12-6 (Св-04Х19Н11МЗ)
70
75
55
—
3
2
10
Электроннолучевая
—
125
12
5
та
Термообработка сварного соединения
Сварка
Марки электрода, сварочной проволоки и флюса
Механические свойства (не менее)
to я
3
а я
< и X и
Закалка в масле и низкий отпуск, пв — 160-2- н-180 кгс/мм2
Покрытыми электродами
ВИЮ-6
(Св-18ХМА)
100—
150 ’
—
6
Под флюсом
Св-18ХМА, АН-15 Св-20Х4ГМА, АН-15 Св-20Х4ГМА, АН-15М
ПО
120
130
16
16
12
6
6
6
Электроннолучевая
—
170
15
6
Электро- шлаковая
Св-18ХМА, АН-8
120
16
4
Без термообработки
Покрытыми электродами
ВИ12-6 (Св-04Х19Н11МЗ)
55
—
12
Под флюсом
Св-08Х20Н9Г7Т, АН-22
60
20
9
X и
X О) хР
Закалка и низкий отпуск, ств = 200 ± ± 10 кгс/мм3
Под флюсом
Св-20Х4ГМА, АН-15М
180
—
5
Аргоно- дуговая
Св-28ХЗСНМВФА
190
10
5
Электроннолучевая
—
190
10
5
<
04
X
04
Нормализация и высокий отпуск
Покрытыми электродами
ЦЛ-17 (Св-10Х5М)
55
—
12
Под флюсом
Св-10Х5М, АН-15
55
20
12
Электро- шлаковая
Св-08ХЗГ2СМ, АН-8
70
18
8
та
Термообработка сварного соединения
Сварка
Марки электрода, сварочной проволоки н флюса
Механические свойства (не менее)
S
S
5
£ сч X X
Закалка и высокий отпуск
Электро- шлаковая
Св-10ХГСН2МТ, АН-8 Св-08 ХЗГ2СМ, АН-8
80
100
18
14
9
9
Без термообработки
Покрытыми электродами
СЛ-16 (Св-08Х20Н9Г7Т)
55
—
9
Под флюсом
Св-08Х20Н9Г7Т, АН-22
Св-10ХГСН2МТ, АН-15
60
75
25
20
12
10
В углекислом
I азе
Св-10ХГСН2МТ
70
20
12
< $ ю X сч
Высокий отпуск
Покрытыми электродами
ЦЛ-17 (Св-10Х5М)
52
20
16
Под флюсом
Св-10Х5М, АН-15
55
20
12
Без термообработки: а) конструкции, работающие при температурах до 450° С
Покрытыми электродами
ЦЛ-9А, ОЗЛ-6, ОЗЛ-1, НИИ-48Г (Св-07Х25Н13)
55
25
8
Под флюсом
Св-08Х20Н9Г7Т, АН-22
60
25
12
б) конструкции, работающие при температурах выше 450° С
Покрытыми электродами
АНЖР-2 (ЭП-673) НИАТ-5, ЭА-395/9 (Св 10Х16Н25М6А)
60
30
10
Под флюсом
ЭП-673, АН-15 Св-10Х16Н25М6А,
АН-26
60
30
10
* Толщина металла соответственно 25 и 5 мм
В соответствии с существующими стандартами высоколегированные стали и сплавы классифицируют в зависимости от системы легирования, структуры, свойств и назначения. В зависимости от свойств высоколегированные стали и сплавы делят на коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие. К коррозионностойким относятся стали и сплавы, способные сопротивляться коррозии в атмосфере, воде, кислотах, солях, почве. К жаропрочным предъявляется требование — сохранять прочность при повышенных температурах, к жаростойким — стойкость против окисления на воздухе и в различных средах (например, цементационной среде) при высоких температурах вплоть до 1200— 1300°С.
Такое деление, естественно, условное. Например, сталь Х18Н10Т применяют в качестве коррозионностойкого и жаропрочного материала, а также для изготовления хладостойкой аппаратуры. Сталь 0Х20Н14С2 используют как жаростойкий и коррозионностойкий материал.
По системе легирования высоколегированные стали делят на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемарганцевые, хромомарганцеазотистые. Высоколегированные сплавы делят на хромоникелевые, хромоникелекобальтовые и хромокобальтовые (табл. 10-16, 10-17 и 10-18).
Главными легирующими элементами являются хром и никель. Они определяют основные свойства и структуру высоколегированных сталей и сплавов. Стали и сплавы с содержанием хрома более 12% являются нержавеющими. В качестве легирующих элементов применяют также углерод, кремний, вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, титан, алюминий, бор и др., которые сообщают высоколегированным сталям и сплавам особые свойства: прочность, жаропрочность, жаростойкость, стойкость против некоторых видов коррозии. Они влияют также на структуру сталей и сплавов.
Высоколегированные стали и сплавы — важнейший конструкционный материал. Трудно назвать отрасль техники, где бы они не применялись. Наиболее широко их используют в химической и нефтехимической промышленности, в авиационной, ракетной и атомной технике, в энергетике, судостроении, медицине, для производства цементационных, термических и обжиговых печей, пищевой аппаратуры. Нержавеющие стали благодаря хорошей полируемости и антикоррозионным свойствам применяют также для производства украшений и скульптур.
В зависимости от структуры высоколегированные стали делят на следующие классы:
мартенситные — Х5, Х5ВФ, 4Х10С2М (ЭИ107), 2X13, 1X13H3, 1Х17Н2 (ЭИ268), 1Х12Н2ВМФ (ЭИ961) и др.;
мартенситно-ферритные—Х6СЮ (ЭИ428), 1Х12В2МФ (ЭИ756), 1X13 (ЭЖ1), 1Х13Н, 1Х13НЗБ, 1Х12ВНМФ (ЭИ802), 1Х11МФ, 2Х12ВМБФР (ЭИ993) и др.;
Таблица 10-16
Состав коррозионностойких высоколегированных сталей и сплавов, %
Материал
с
Сг
N1
Т1
Si | Мп
S
Р
Другие элементы
Примечание
не более
Мартенситные стали
2X13 (ЭЖ2)
1Х17Н2
(ЭИ268)
1Х12Н2ВМФ
(ЭИ961)
0,16—0,24
0,11—0,17
0,10—0,16
12,0—14,0
16,0—18,0
10,5—12,0
1,50—2,50
1,50—1,80
0,60
0,80
0,60
0,60 0,80
0,60
0,025
0,025
0,025
0,030
0,030
0,030
1,60— 2,0 W 0,35— 0,50 Мо
Применяется и как жаропрочный материал
СИ
0,18—
0,30 V
Мартенситно-ферритные стали
1Х1з (ЭЖ1)
0,09—0,15
12,0—14,0
—
—
0,60
0,60
0,025
0,030
—
Применяется и как жаростойкий и жаропрочный материал
0X13 (ЭИ496)
5=0,08
11,0—13,0
Феррит!
ше ста
0,60
ЛИ
0,60
0 025
0 035
0Х17Т (ЭИ645)
5=0,08
16,0—18,0
—
5 (% С)-
0,80
0,70
0,025
0,035
—
Применяется и как жа-
Х25Т (ЭИ439)
5=0,15
24,0—27,0
0,80
5 (% С)-
1,00
0,80
0 025
0,035
ростойкии материал То же
Х28 (ЭИ349)
<50,15
27,0—30,0
—
0,80
1,00
0,80
0,025
0,035
—
»
Материал
С
Сг
N1
Ti
Si
Мп
S
Р
Другие элементы
Примечание
не более
Х16Н6 (ЭП288)Х15Н8М2Ю(ЭП35)Х16Н6 (ЭП288)Х15Н8М2Ю(ЭП35)0,05—0,09 15,5—17,7 5,0—8,00,05—0,10 14,2—15,8 7,0—8,500,05—0,09 15,5—17,7 5,0—8,00,05—0,10 14,2—15,8 7,0—8,50Х17Н7Ю (ЭИ973) № toХ17Н7Ю (ЭИ973) № to16,0—18,0 6,50—7,5016,0—18,0 6,50—7,501,00 0,0200,70 0,0200,80 0,0251,00 0,0200,70 0,0200,80 0,0250,0350,0300,0350,0350,0300,0351,60—2,40 Мо1,20—1,80 А10,80—1,30 А11,60—2,40 Мо1,20—1,80 А10,80—1,30 А1Применяются как высокопрочные материалы при температурах до 500—550° СИзделия, работающие . преимущественно в атмосферных условиях, слабых кислотах и в ряде органических веществ и солейПрименяются как высокопрочные материалы при температурах до 500—550° СИзделия, работающие . преимущественно в атмосферных условиях, слабых кислотах и в ряде органических веществ и солейАустенитно-мартенситные стали
Х16Н6 (ЭП288)Х15Н8М2Ю(ЭП35)
Х16Н6 (ЭП288)Х15Н8М2Ю(ЭП35)
0,05—0,09 15,5—17,7 5,0—8,0
0,05—0,10 14,2—15,8 7,0—8,50
0,05—0,09 15,5—17,7 5,0—8,0
0,05—0,10 14,2—15,8 7,0—8,50
Х17Н7Ю (ЭИ973) № to
Х17Н7Ю (ЭИ973) № to
16,0—18,0 6,50—7,50
16,0—18,0 6,50—7,50
1,00 0,020
0,70 0,020
0,80 0,025
1,00 0,020
0,70 0,020
0,80 0,025
0,035
0,030
0,035
0,035
0,030
0,035
1,60—
2,40 Мо
1,20—
1,80 А10,80—
1,30 А1
1,60—
2,40 Мо
1,20—
1,80 А10,80—
1,30 А1
Применяются как высокопрочные материалы при температурах до 500—550° С
Изделия, работающие . преимущественно в атмосферных условиях, слабых кислотах и в ряде органических веществ и солей
Применяются как высокопрочные материалы при температурах до 500—550° С
Изделия, работающие . преимущественно в атмосферных условиях, слабых кислотах и в ряде органических веществ и солей
Аустенитно-ферритные стали
0Х21Н5Т (ЭП53)
<0,08
20,0—22,0
4,80—5,80
0,30—0,60
0,80
0,80
0,025
0,035
—
—
0Х21Н6М2Т (ЭП54)
<0,08
20,0—22,0
5,50—6,50
0,20—0,40
0,80
0,80
0,025
0,035
1,80—
2,50 Мо
—
Х28АН (ЭИ657)
<0,15
25,0—28,0
1,0—1,7
—
1,00
1,50
0,025
0,035
0,18—
0,25 N
—
0Х20Н14С2 (ЭИ732)
<0,08
19,0—22,0
12,0—15,0
2,00
3,00
1,50
0,025
0,035
Применяется и как жаростойкий материал
Материал
С
Сг
N1
Т1
Si
Мп | S
не более
Р
Другие элементы
Примечание
Аустенитные стали и сплавы
0Х18Н10
Х18Н10Т у
0Х18Н12Т ’
Х17Н13М2Т
<0,08
<0,12
<0,08
<0,10
17,0—19,0
17,0—19,0
17,0—19,0
16,0—18,0
9,0—11,0
9,0—11,0
11,0—13,0
12,0—14,0
(% с-
0,02) 5— 0,70
5 (% С)- 0,60
0,30—0,60
0,80
0,80
0,80
0,80
1,00— 1,20 1,00— 2,00
1,00— 2,00
1,00—
0,020
0,020
0,020
0,020
0,035
0,035
0,035
0,035
1,80—
Применяется и жаропрочный териал
То же
как ма
5(ЭИ448)
*0Х23Н18
<0,10
22,0—25,0
17,0—20,0
1,00
2,00 2,00
0,020
0,035
2,50 Мо
Применяется и
как
0Х23Н28МЗДЗТ
<0,06
22,0—25,0
26,0—29,0
0,40—0,70
0,80
0,80
0,020
0,035
2,50—
жаростойкий териал
ма-
(ЭИ943)
000Х16Н40М5ДЗТЗЮ
<0,03
14,0—17,0
39,0—42,0
2,5—3,2
0,80
0,80
0,020
0,035
3,0 Мо 2,50—
3,5 Си 4,5—6,0 Мо
(ЭП543)
000Х15Н65М16В
<0,03
14,5—16,5
Основа
0,15
1,00
0,020
0,025
0,70—
1,2 А!
2,7—3,2 Си 15,0—
Приъ еьяется также
(ЭП567)
17,0 Мо С 1,5 Fe 3,0—4,5 W
в качестве сварочной проволоки
Содержание титана зависит
от содержания углерода.
Таблица 10-17
Состав жаропрочных высоколегированных сталей и сплавов, %
Материал
Ni
Ti
Si
Мп
S
р
Другие
Примечание
элементы
не более
Мартенситно-ферритные стали
1Х12ВНМФ (ЭИ802)
1Х12В2МФ (ЭИ756)
0,12—
0,18
0,10— 0,17
11,0—13,0
11,0-13,0
0,40—0,80
0,40
0,50
0,50— 0,90
0,50— 0,80
0,025
0,025
0,030
0,030
0,70— 1,10 W 0,50—
0,70 Мо 0,15— 0,30 V
1,70—
2,20 W 0,60— 0,90 Мо 0,15— 0,30 V
Аустенитные стали
1Х14Н18В2БР (ЭИ695Р)
1Х15Н18В4Т
(ЭП501)
1Х16Н9В4Б (ЦЖ15)
0,07— 0,12
0,07— 0,12
0,08— 0,12
13,0—15,0
14,0—16,0
15,0—16,5
18,0—20,0
18,0—20,0
8,5—10,0
1,10—1,60
0,60
0,50
0,60
1,00— 2,00
0,50— 1,00
1,00— 1,50
0,020
0,020
0,030
0,035
0,020
0,035
2,0— 2,7,5 W 0,90— 1,30 Nb < 0,005 В » 0,020 Се
4,0—5,0 W 0,002—
0,005 В— 0,025 Се (по расчету) 3,0—4,0 W 8-(%Q-
1,20 Nb
Паропроводные трубы
Литые детали турбин
Материал
с
Сг
N1
Т1
Si
Мп
S
Р
ДР> гие элементы
Примечание
не более
Сплавы на железо-никелевой основе
0505ХН35ВТ (ЭИ612)ХН35ВТЮ(ЭИ787)ХН35ВТ (ЭИ612)ХН35ВТЮ(ЭИ787)<0,12<0,12:0,08:0,0814,0—16,0 34,0—38,0 1,10—1,50 0,6014,0—16,0 33,0—37,0 2,40—3,20 0,6014,0—16,0 34,0—38,0 1,10—1,50 0,6014,0—16,0 33,0—37,0 2,40—3,20 0,601,00—0,0200,0302,8—3,50 WПрименяется также2,00в литом виде0,600,0200,0302,80—3,50 W 0,70—1,40 А1 До 0,020 В1,00—0,0200,0302,8—3,50 WПрименяется также2,00в литом виде0,600,0200,0302,80—3,50 W 0,70—1,40 А1 До 0,020 В
05
05
ХН35ВТ (ЭИ612)
ХН35ВТЮ(ЭИ787)
ХН35ВТ (ЭИ612)
ХН35ВТЮ(ЭИ787)
<0,12
<0,12
:0,08
:0,08
14,0—16,0 34,0—38,0 1,10—1,50 0,60
14,0—16,0 33,0—37,0 2,40—3,20 0,60
14,0—16,0 34,0—38,0 1,10—1,50 0,60
14,0—16,0 33,0—37,0 2,40—3,20 0,60
1,00—
0,020
0,030
2,8—3,50 W
Применяется также
2,00
в литом виде
0,60
0,020
0,030
2,80—
3,50 W 0,70—
1,40 А1 До 0,020 В
1,00—
0,020
0,030
2,8—3,50 W
Применяется также
2,00
в литом виде
0,60
0,020
0,030
2,80—
3,50 W 0,70—
1,40 А1 До 0,020 В
Сплавы на никелевой основе
ХН77ТЮР
5=0,06
19,0—22,0
Основа
2,30—2,70
0,60
0,40
0,007
0,015
0,55—
—
(ЭИ437Б)
0,95 А1 До 4,0 Fe
» 0,01 В
» 0,01 Се
ХН67ВМТЮ (ЭИ445Р)
5^0,08
17,0-20,0
»
2,20—2,80
0,60
0,50
0,010
0,015
4,0—5,0 W 4,0—5,0 Мо 1,0—1,5 А1 До 4,0 Fe
» 0,01 Се » 0,01 В
37 Заказ № 78237 Заказ № 782МатериалСгNiTiсSiМпSрДругие элементыПримечаниене болееМатериалСгNiTiсSiМпSрДругие элементыПримечаниене болееТаблица 10-18Состав жаростойких высоколегированных сталей и сплавов, %Таблица 10-18Состав жаростойких высоколегированных сталей и сплавов, %Мартенситные стали
37 Заказ № 782
37 Заказ № 782
Материал
Сг
Ni
Ti
с
Si
Мп
S
р
Другие элементы
Примечание
не более
Материал
Сг
Ni
Ti
с
Si
Мп
S
р
Другие элементы
Примечание
не более
Таблица 10-18
Состав жаростойких высоколегированных сталей и сплавов, %
Таблица 10-18
Состав жаростойких высоколегированных сталей и сплавов, %
4Х10С2М (ЭИ107)
9,0—10,5
11 -
0,35—0,45
1,90—2,60
0,70
0,025
0,030
0,70— I
0,90 Mo 1
у Х6СЮ (ЭИ428)
5,50—7,0
М
артенситно-
0,15
ферритные
1,20—1,80
стали
0,50
0,025
0,030
0,70—
1X13 (ЭЖ1)
12,0—14,0
—
—
0,09—0,15
0,60
0,60
0,025
0,030
1,1 А1
Х17 (ЭЖ17)
16,0—18,0
Феррита
0,12
1ые стали
0,80
0,70
0,025
0,035
Применяется и как
Х23Н13 (ЭИ319)
22,0—25,0
12,0—15,0
Аустенитно
0,20
■ферритные
1,0
стали
2,0
0,025
0,035
коррозионностойкий материал
Х20Н14С2 (ЭИ211)
19,0—22,0
12,0—15,0
—
0,20
2,00—3,00
1,50
0,025
0,035
Материал
Сг
Ni
Ti
с
Si
Мп
S
р
Другие элементы
Примечание
не более
4Х18Н25С2
17,0—19,0
23,0—26,0
—
0,32—0,40
2,00—3,00
1,50
0,020
0,035
—
Литые муфели ne-
чей
Х23Н18 (ЭИ417)
22,0—25,0
17,0—20,0
—
0,20
1,00
2,00
0,020
0,035
—
—
Х25Н20С2 (ЭИ283)
24,0—27,0
18,0—21,0
—
0,20
2,00—3,00
1,50
0,020
0,035
—
Литые муфели пе-
чей
45Х15Г15СЮ
14,0—16,0
До 0,50
—
0,40—0,50
1,20—1,80
13,0—
0,030
0,040
1,20—
—-—
(ЭП577)
15,0
1,80 А1
Аустенитные сплавы
ХН38ВТ (ЭИ703)
20,0—23,0
35,0—39,0
0,70—
0,06—0,12
0,80
0,70
0,020
0,030
2,8—3,50 W
—
1,20
До 0,5 А1
5Х28Н48В5
26,0—30,0
46,0—52,0
0,40—0,60
0,80—1,50
0,80—
0,040
0,045
4,0—5,0 W
1,50
Х20Н80
20,0—23,0
75,0—78,0
—
0,15
0,40—1,30
0,70
0,025
0,030
До 0,2 А1
Литые трубы и де-
» 1,0 Fe
тали
ХН78Т (ЭИ435)
19,0—22,0
Основа
0,15—
0,12
0,80
0,70
0,015
0,020
» 0,15 Al
0,35
» 6,0 Fe
ХН60В (ЭИ 868)
23,5—26,5
»
0,30—
0,10
0,80
0,50
0,013
0,013
13,0—
Применяется также
0,70
16,0 w
в качестве сва-
До 0,50 Al
рочной прово-
» 4,0 Fe
ЛОКИ
578
Аустенитные стали
ферритные — OX 13 (ЭИ496), Х14 (ЭИ241), Х17 (ЭЖ17), 0Х17Т (ЭИ645), 0Х17М2Т, Х25 (ЭИ181), Х25Т (ЭИ439), Х28 (ЭИ349) и др.;
аустенитно-мартенситные — Х16Н6 (ЭП288), Х15Н9Ю (ЭИ904), Х17Н7Ю (ЭИ973), Х15Н8М2Ю (ЭП35), 2X17Н2 и др.;
аустенитно-ферритные—0Х20Н14С2 (ЭИ732), Х20Н14С2 (ЭИ211), 0Х21Н5Т (ЭП53), 0Х21НЗТ (ЭП214), 1Х21Н5Т (ЭИ811), 0Х21Н6М2Т (ЭП54), 0Х16Н4БА (ЭП56), Х23Н13 (ЭИ319), Х28АН (ЭИ657) и др.;
аустенитные— 000Х18Н10 (ЭП550), 00Х18Н10 (ЭИ842), 0Х18Н10, 0Х18Н10Т (ЭИ914), Х18Н10Т, Х14Г14НЗТ (ЭИ711), Х17Н13М2Т (ЭИ448), Х17Г9АН4 (ЭИ878), 0Х18Н12Т, 1Х18Н12Т, Х16Н9М2, 1Х14Н14В2М (ЭИ257), 1Х14Н18В2БР (ЭИ695Р), 1Х16Н9В4Б (ЦЖ15), 1Х15Н18В4Т (ЭП501), 1Х15Н25АМ6 (ЭИ395), 0Х18Н5Г11БАФ (ЭП321), 45Х15Г15СЮ (ЭП577), 4Х18Н25С2, Х23Н18 (ЭИ417), Х25Н20С2 (ЭИ283), 0Х23Н28М2Т (ЭИ628), 0Х23Н28МЗДЗТ (ЭИ943), 00Х23Н28МЗДЗТ (ЭП516) и др.
Подразделение сталей на классы по видам структуры является условным и произведено в зависимости от основной структуры, получаемой при их охлаждении на воздухе от высоких температур (табл. 10-19).
Сплавы на железоникелевой и никелевой основах являются
стабильноаустенитными: ХН35ВТ (ЭИ612), ХН35ВТР (ЭИ725), ХН38ВТ (ЭИ703), 0Х16Н40М5ДЗТЗЮ (ЭП543), ХН35ВТЮ (ЭИ787), ХН77ТЮР (ЭИ437Б), 5Х28Н48В5, 0Х15Н65М16В (ЭП567), ХН70МВТЮ (ЭИ617), Х20Н80, ХН78Т (ЭИ435), ХН70МВТЮБ (ЭИ598), ХН60В (ЭИ868), ХН67ВМТЮ (ЭИ445Р) и др. Они не претерпевают структурных превращений при охлаж
дении на воздухе от высоких температур.В последнее время разработаны и нашли применение новые конструкционные высоколегированные стали и сплавы (табл. 10-20): аустенитно-борид- ные — Х15Н15М2БР1 (ЭП380),дении на воздухе от высоких температур.В последнее время разработаны и нашли применение новые конструкционные высоколегированные стали и сплавы (табл. 10-20): аустенитно-борид- ные — Х15Н15М2БР1 (ЭП380),Х18Н12БР1 (ЭП381), Х25Н20С2Р1 (ЭП532), ХН77СР1 (ЭП615) и др.; мартенситно - стареющие 000Х18К9М5Т (ЭП637) и др.; высокохромистые (45—65% Сг) аустенитные— ХН35ВЮ (ЭП568), ХН50 (ЭП668) и др.Основная структура аустенит- но-боридных сталей и сплавов —■ аустенит и боридная фаза эвтектического строения. Содержание боридной фазы не нормируется.Х18Н12БР1 (ЭП381), Х25Н20С2Р1 (ЭП532), ХН77СР1 (ЭП615) и др.; мартенситно - стареющие 000Х18К9М5Т (ЭП637) и др.; высокохромистые (45—65% Сг) аустенитные— ХН35ВЮ (ЭП568), ХН50 (ЭП668) и др.Основная структура аустенит- но-боридных сталей и сплавов —■ аустенит и боридная фаза эвтектического строения. Содержание боридной фазы не нормируется.Класс сталиХарактеристика структурыМартенситныйМартенситМартенситно-Мартенсит 4" фер-ферритныйрит (не менее 5— 10%)ФерритныйФеррит (без ащ±у-превраще- ния)Аустенитно-Аустенит ф- мар-мартенситныйтенсит в различных соотношенияхАустенитно-Аустенит 4- ферритферритный(более 10%)АустенитныйАустенитКласс сталиХарактеристика структурыМартенситныйМартенситМартенситно-Мартенсит 4" фер-ферритныйрит (не менее 5— 10%)ФерритныйФеррит (без ащ±у-превраще- ния)Аустенитно-Аустенит ф- мар-мартенситныйтенсит в различных соотношенияхАустенитно-Аустенит 4- ферритферритный(более 10%)АустенитныйАустенитТаблица 10-19Классы высоколегированных сталейТаблица 10-19Классы высоколегированных сталей
дении на воздухе от высоких температур.
В последнее время разработаны и нашли применение новые конструкционные высоколегированные стали и сплавы (табл. 10-20): аустенитно-борид- ные — Х15Н15М2БР1 (ЭП380),
дении на воздухе от высоких температур.
В последнее время разработаны и нашли применение новые конструкционные высоколегированные стали и сплавы (табл. 10-20): аустенитно-борид- ные — Х15Н15М2БР1 (ЭП380),
Х18Н12БР1 (ЭП381), Х25Н20С2Р1 (ЭП532), ХН77СР1 (ЭП615) и др.; мартенситно - стареющие 000Х18К9М5Т (ЭП637) и др.; высокохромистые (45—65% Сг) аустенитные— ХН35ВЮ (ЭП568), ХН50 (ЭП668) и др.
Основная структура аустенит- но-боридных сталей и сплавов —■ аустенит и боридная фаза эвтектического строения. Содержание боридной фазы не нормируется.
Х18Н12БР1 (ЭП381), Х25Н20С2Р1 (ЭП532), ХН77СР1 (ЭП615) и др.; мартенситно - стареющие 000Х18К9М5Т (ЭП637) и др.; высокохромистые (45—65% Сг) аустенитные— ХН35ВЮ (ЭП568), ХН50 (ЭП668) и др.
Основная структура аустенит- но-боридных сталей и сплавов —■ аустенит и боридная фаза эвтектического строения. Содержание боридной фазы не нормируется.
Класс стали
Характеристика структуры
Мартенситный
Мартенсит
Мартенситно-
Мартенсит 4" фер-
ферритный
рит (не менее 5— 10%)
Ферритный
Феррит (без ащ±у-превраще- ния)
Аустенитно-
Аустенит ф- мар-
мартенситный
тенсит в различных соотношениях
Аустенитно-
Аустенит 4- феррит
ферритный
(более 10%)
Аустенитный
Аустенит
Класс стали
Характеристика структуры
Мартенситный
Мартенсит
Мартенситно-
Мартенсит 4" фер-
ферритный
рит (не менее 5— 10%)
Ферритный
Феррит (без ащ±у-превраще- ния)
Аустенитно-
Аустенит ф- мар-
мартенситный
тенсит в различных соотношениях
Аустенитно-
Аустенит 4- феррит
ферритный
(более 10%)
Аустенитный
Аустенит
Таблица 10-19
Классы высоколегированных сталей
Таблица 10-19
Классы высоколегированных сталей
Таблица 10-20
Состав новых конструкционных высоколегированных сталей и сплавов, %
Материал
с
Сг
Ni
Si
Мп
s
р
Другие эле- менты
Характеристика и назначение
не боле
Аустенитно-боридные стали
и сплавы
Х18Н12БР1 (ЭП381)
^0,08
17,0—19,0
11,0—13,0
0,80
1,00— 2,00
0,025
0,030
8 (% С)—
1,20 Nb 0,50—0,80 В
Коррозионностойкий И жаропрочный материал
Х25Н20С2Р1 (ЭП532)
5=0,10
24,0—27,0
18,0—21,0
2,50— 3,00
1,50
0,020
0,030
0,40—0,70 В
Жаростойкая сталь (до 1050° С)
ХН77СР1 (ЭП615)
о
0,40— 0,70
13,0—15,0
Основа
Мар
2,50— 3,00
тенситно-с
0,40
тареющие
0,015
стали
0,020
0,8—1,2 В До 0,50 А1
» 0,20 Ti » 3,0 Fe
» 0,25 Си
Литейный жаропрочный сплав
000Н18К9М5Т (ЭП637)
s=;0,030
17,7—19,0
Высок
0,10
эхромисты
0,10
е сплавы
0,010
0,010
4,6—5,5 Мо
8,5—9,5 Со 0,50—0,80 Ti До 0,15 А1
» 0,005 В
» 0,006 Zr
Высокопрочная пластичная коррозионностойкая сталь
ХН35ВЮ (ЭП468)
0,10
48,0—52,0
35,0—38,0
0,50
0,50— 1,00
0,020 0,035
9,0—11,0 W 1,8—2,5 Al
Опоры, конусы, крыльчатки, работающие при высоких температурах (900— 1000* С) в средах, содержащих V2O5, SO2, NoCi и др.
ХН50 (ЭП668)
5=0,05
46,0—50,0
48,0—54,0
0,30
0,30
0,015
0,015
До 0,30 Al » 0,03 Се » 1,0 Fe
То же
Структура мартенситно-стареющих сталей — безуглероди- стый высокопластичный мартенсит. Стали этого класса содержат 8—25% Ni. Упрочнение их достигается в два этапа: получение мартенситной структуры в результате превращения у —» а и последующее старение.
Структура высокохромистых (45—65% Сг) никелесодержащих (35—50% Ni) сплавов'—аустенит и хромоникелевая эвтектика. При содержании более 60—65% Сг в сплавах этого типа возможно образование высокохромистого феррита.
До недавнего времени ферритные и мартенситные стали применяли в специальных сварных конструкциях в несравненно меньших масштабах, чем аустенитные. Теперь в связи с необходимостью экономии никеля разработано и эксплуатируется большое количество безникелевых и с ограниченным содержанием никеля сталей этих классов. Широко применяют также аустенитную сталь, в которой никель частично или полностью заменен марганцем и азотом.
Высоколегированные стали и сплавы принято обозначать не только в соответствии со стандартом (см. табл. 10-16, 10-17, 10-18), но и более сокращенно, двумя—тремя цифрами: 18-8, 18-10, 15-25, 15-25-6 и др. Первая из них определяет среднее содержание хрома, а вторая — содержание никеля. Третья цифра указывает содержание важнейшего легирующего элемента, в нашем примере молибдена (1Х15Н25АМ6).
Высоколегированные стали и сплавы различают также по системе упрочнения: карбидные, боридные, с интерметаллидным упрочнением и др. Стали и сплавы, легированные углеродом (обычно в пределах 0,2—1,0%), имеют карбидное упрочнение. Этот тип упрочнения характерен в основном для жаропрочных (4Х14Н14В2М, 4Х12Н8Г8МФБ) и жаростойких (4Х18Н25С2) сталей. Достигается такое упрочнение при выдержке стали в интервале температур 600—650° С и при образовании в ней в результате этого сложных карбидов железа, хрома, ванадия, ниобия, вольфрама типа Ме23С6, Ме6С, Ме2С, МеС и др.
Никелесодержащие стали и сплавы, легированные титаном (1,0—3,5%) и алюминием (до 6%), упрочняются вследствие образования при температуре 650—850° С мелкодисперсных частиц— интерметаллидов типа Ni3 (Ti, Al), (Ni, Fe)2Ti и др. Это так называемое интерметаллидное упрочнение характерно в основном для жаропрочных сталей и сплавов. Например, упрочнение стали Х12Н22ТЗМР (ЭПЗЗ) с 2,6—3,2% Ti достигается образованием интерметаллидов Ni3Ti, сплава ХН55К15МВЮ (ЭИ867) с 4,2—4,9% А1 — интерметаллидов Ni3Al, а сплава ХН35ВТЮ (ЭИ787) с 2,8—3,2% Ti и 0,7—1,7% А1 — интерметаллидов Nig (Ti, Al).
Упрочнение аустенитно-боридных сталей достигается в основном в результате образования боридов железа, хрома, ниобия, углерода, молибдена и вольфрама.
581
6g. KICjMMiРис. 10-23. Изменение предела крат
ковременной прочности различных сталей и сплавов в зависимости от температуры испытания (Ф. Ф. Химушин)
Стали и сплавы в большинстве случаев содержат несколько легирующих элементов, поэтому упрочнение их обычно бывает комплексным, например карбидное (основное) и интер- металлидное или же интерме- таллидное (основное) и карбидное.
Предел кратковременной прочности высоколегированных сталей и сплавов довольно широкий, в среднем 50—100 кгс/мм2 (рис. 10-23). Хромистые стали (5, 13, 17 и 28% Сг) при повы- п шейных температурах значи- гоо зоо адо 500 600 юо 800 ооо Ю00 С цельно менее прочны, чем хромоникелевые аустенитные стали типов 18-8, 18-14, 25-20 и др. Аустенитные сплавы на железоникелевой и никелевой основах, в свою очередь, более прочны, чем аустенитные стали.
Особую группу составляют мартенситные, мартенситно-ста- реющие и аустенитно-мартенситные стали. Эти стали при относительно невысоких температурах (до 250—300° С) значительно превосходят по прочности аустенитные стали и сплавы. Например, 5?6-ная хромистая сталь может быть обработана па прочность 150—220 кгс/мм8, мартенситно-стареющая сталь ЭП637 — на прочность до 280 кгс/мм2, а прочность хромоникелевого сплава с высокой степенью легирования титаном, алюминием, вольфрамом и молибденом в этих же условиях не превышает 100— 120 кгс/мм8. Однако при высоких температурах по прочности они заметно уступают аустенитным.
Практикуется также классификация сталей и сплавов по применению, например инструментальные стали, подшипниковые, клапанные, турбинные, трубные, лопаточные и др.
Общий термин «высоколегированные стали и сплавы» объединяет группы материалов, существенно отличающиеся друг от друга не только по химическому составу и структуре, но также и по назначению и эксплуатационным свойствам.
Общим признаком для большинства высоколегированных сталей является их пониженный по сравнению с углеродистыми сталями коэффициент теплопроводности, большой коэффициент
582
линейного расширения, а также значительная литейная усадка. В виде примера можно привести следующие данные: коэффициент теплопроводности аустенитной стали типа 18-8 составляет 0,040 кал/(см-с-град) по сравнению с 0,096 кал/(см-с-град) для углеродистой стали ВСтЗ; коэффициент линейного расширения соответственно равен 17-10-6 и 12-Ю-6, а удельное электросопротивление 0,73 и 0,15 ом-мм2/м.
§ 10-9. Особенности сваркивысоколегированных сталей и сплавов
Металлургические особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов. Высоколегированные стали и сплавы составляют наиболее многочисленную группу конструкционных материалов. Только в СССР в эту группу входит более 1500 марок сталей и сплавов. При таком их многообразии задачи сварки и термообработки высоколегированных сталей и сплавов представляют значительные трудности. Весьма важно поэтому научиться распознавать, к какому структурному классу относится
сталь или сплав, и при помощи соответствующих диаграмм проследить возможные изменения структуры и образования фаз в околошовной зоне при сварке или в самой стали при термообработке. Это позволит более правильно назначать технологию сварки и термообработки узлов и конструкций.
Структура хромоникелевых сталей, сплавов и сварных швов определяется соотношением эквивалентного содержания ферри- тизирующих (Cr, Si, Mo, Ti, Al, Nb, W, V) и аустенитизирующих (Ni, Со, С, N, Си, Мп, В) элементов. Для определения структуры хромоникелевых швов пользуются диаграммой Шеффлера (рис. 10-24). Эта диаграмма может быть также применена для ориентировочного определения структуры сталей.
Структура и свойства хромистых сталей и сварных швов зависят от содержания хрома и углерода, а также от степени легиро
вания их другими элементами. Рассмотрим влияние легирующих элементов на структуру высоколегированных сталей, сплавов и сварных швов.
В результате многочисленных опытов исследователям удалось оценить эффективность действия на струк-
Рис. 10-24.
Диаграмма влияния элементов на структуру металла сварных швов: / — электроды ОЗЛ-14;
2 — проволока Св-10Х16Н25АМ6
туру сварного шва различных легирующих элементов, приняв за основу действие ферритизатора — хрома и аустенитизатора —• никеля. Если принять эффективность действия хрома и никеля в сварном шве за единицу, эквивалентная концентрация хрома [Сг ] и никеля [Ni ] может быть подсчитана по формулам
[Сг]экв = Сг + l,5Si + 2Мо + 5Ti + 2Nb + 2А1 +
+ 1,5W + V;
[Ni ]экв = Ni + 30C + SON + 10В + 0,5Мп.
В правой части уравнения химические символы означают процентное содержание данных элементов в металле шва. Эти эмпирические формулы являются приближенными. Например, в некоторых источниках коэффициент ферритизирующего действия молибдена оценивается 1, в других— 1,5, в третьих — 3. Различные коэффициенты также приведены для вольфрама, ниобия, титана и марганца. Несовпадение данных объясняется тем, что влияние элементов на смещение границы у-области зависит не только от абсолютного их содержания, но и от содержания других элементов, термообработки и ряда других факторов.
Тем не менее этими формулами можно пользоваться с достаточной для практики точностью. Для примера на диаграмме Шеффлера (см. рис. 10-24) показаны структурное положение 1 металла, наплавленного электродами ОЗЛ-14 (06Х20Н9), и возможное положение 2 при сварке проволокой Св-10Х16Н25АМ6 без учета угара элементов, имеющего место при сварке. Структура металла, наплавленного проволокой Св-10Х16Н25АМ6, является чистоаустенитной; в металле, наплавленном электродами ОЗЛ-14, содержится около 8% феррита.
На величину эквивалентов [Сг] и [Ni] для сталей и сплавов оказывают влияние не только соотношение содержаний элементов и режим термообработки, но и состояние стали (прокат, литье), величина зерна и др. Для катаных сталей эквиваленты хрома и никеля выражаются следующими формулами:
[Сг]экв = Сг + 12А1 + 1IV + 7Ti + 3Si +
+ 4,5Nb + 2Мо + 2W;
[Ni ]экв = Ni + 30C + 26N + 0,7Mn + 0,3Cu.
Эти формулы еще более приближенные, чем формулы для сварных швов.
Исходя из условий эксплуатации стали назначают технологию ее сварки. Если сталь Х18Н10Т используют в качестве коррозионностойкого материала, для сварки следует применитьэлектроды, обеспечивающие получение швов с аустенитно-ферритной структурой например ОЗЛ-14). Если же сталь используют для изготовления хладостойкой аппаратуры, предпочтение следует отдать чистоаустенитным электродам или электродам с ограниченным
содержанием феррита, например ЗИФ-1 (08Х18Н9Г6) типаЭА-1Г6. Естественно, что при выборе технологии сварки учитывают и другие факторы: стойкость наплавленного металла против образования трещин, прочность, коррозионную стойкость и др.
К числу основных трудностей, которые приходится преодолевать при сварке высоколегированных сталей и сплавов, относятся: обеспечение стойкости металла шва и околошовной зоны против образования трещин; обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений; получение и сохранение в процессе эксплуатации требуемых свойств сварного соединения; получение плотных швов.
Обеспечение стойкости металла шва и околошовной зоны против образования трещин. При сварке высоколегированных сталей и сплавов возможно образование горячих и холодных трещин. Горячим трещинам подвержены в основном аустенитные стали и сплавы, холодным — закаливающиеся стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов.
Кристаллизационные и горячие трещины при сварке высоколегированных сталей и сплавов могут образовываться в шве и околошовной зоне (рис. 10-25, 10-26). Механизм их образования такой же, как и при сварке обычных углеродистых конструкционных сталей (см. § 33). Однако высоколегированные стали и сплавы
f
Рис. 10-25. Кристаллизационные трещины в шве и горячие трещины в околошовной зоне при сварке в аргоне неплавящимся вольфрамовым электродом аустенитного сплава ХН35ВТР (ЭИ725); X 100
585
■о s
СО ь к л д к CD
CD
О
О
S5
О
CD Л
X
К
к
л щ
я
более подвержены кристаллизационным трещинам при сварке, чем углеродистые конструкционные стали.
Это объясняется следующими специфическими особенностями строения и условий кристаллизации высоколегированных швов' сильно развитой транскристаллитной направленной первичной микроструктурой; увеличенной литейной усадкой кристаллизующегося металла; значительными растягивающими напряжениями, действующими на сварочную ванну в процессе ее затвердевания; многокомпонентным легированием, усиливающим вероятность появления малых количеств легкоплавкой эвтектической составляющей на границах дендритов в момент завершения кристаллизации сварочной ванны.
На практике нашли применение следующие пути предотвращения кристаллизационных трещин в высоколегированных швах: создание в металле шва двухфазной структуры, ограничение в нем содержания вредных примесей и легирование такими элементами, как молибден, марганец, вольфрам; применение фтористо-кальциевых электродных покрытий и фторидных сварочных флюсов, применение различных технологических приемов.
Остановимся кратко на характеристике этих путей. Образование в шве двухфазной структуры (аустенит и первичный феррит, аустенит и первичные карбиды, аустенит и боридная фаза эвтектического происхождения, аустенит и хромоникелевая эвтектика) способствует ее измельчению (см. рис. 10-26). В результате удается полностью или частично подавить транскристаллитную первичную структуру. Такие швы несравненно более стойки против образования кристаллизационных трещин, чем однофазные чистоаустенитные
Чтобы получить двухфазное аустенитно-ферритное строение металла шва, обеспечивают в нем соответствующее соотношение содержания ферритизирующих и аустенитизирующих элементов. Это возможно с помощью структурной диаграммы (рис. 10-24). Удовлетворительная стойкость против образования кристаллизационных трещин достигается при наличии в металле шва 2—3% первичного 6-феррита.
На этом принципе создано большинство сварочных материалов (электродов и проволок), предназначенных для сварки коррозионностойких аустенитных сталей Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х17Н13М2Т и жаропрочных Х16Н14 (ЭП17), Х16Н16 (ЭП184) и др.
Сварка аустенутных сталей электродами и проволокой с содержанием феррита до 2—3% связана с определенными трудностями. Так, при чрезмерном проплавлении основного металла возможно образование в шве объемов металла с чистоаустенитной структурой, склонного к кристаллизационным трещинам. Поэтому на практике применяют сварочные материалы, обеспечивающие получение в металле шва свыше 2—3% феррита. Например, электроды ОЗЛ-8 (08Х20Н9) обеспечивают получение в на-
плавленном металле 3,5—8,5% феррита, электроды ЭА-400/10У (07Х18Н10Г2) — 2—8%, а проволока Св-06Х19Н10МЗТ —до 10%.
Для сварки корневых валиков многопроходных швов, когда доля основного металла в шве значительна, применяют присадочные материалы с более высоким содержанием феррита—порядка 5—10%; например, электроды ЦТ-15-1 (08Х20Н9Г2) дают 5,5— 9,0% феррита; ЦТ-16-1 (08Х20Н9ВБ) — 6,0—9,5% феррита. В некоторых случаях, например при сварке жаростойких аустенитных сталей типа 2Х25Н20С2, отличающихся исключительно высокой склонностью к образованию кристаллизационных трещин, для этих целей применяют сварочные электроды со значительно более высоким содержанием феррита. Так, электроды марки ГС-1 (10Х25Н9Г6С2), используемые для сварки корневых валиков этих сталей, дают в наплавленном металле 25—30% феррита.
Швы с повышенным содержанием первичного феррита более стойки против межкристаллитной коррозии. Причиной этого вида коррозии являются фазовые превращения в металле шва, сопровождающиеся обеднением пограничных слоев зерен и кристаллитов хромом в результате встречной диффузии углерода и хрома. Наличие первичного феррита в сварных швах вносит качественные изменения в этот процесс. Фазовые превращения в этом случае локализуются в объемах, занимаемых первычным ферритом, который, как известно, способен растворить больше хрома, чем аустенит. Вследствие этого обеднения пограничных слоев хромом до критических концентраций не происходит и такие швы обладают более высокой сопротивляемостью межкристаллитной коррозии.
Вместе с тем не следует забывать, что швы и стали с повышенным содержанием феррита более подвержены сигматизации в интервале температур 450—850° С, а следовательно, и потере пластичности, чем стали и швы с ограниченным содержанием феррита или чистоаустенитные. Поэтому для обеспечения служебных характеристик конструкций и узлов, работающих в интервале критических температур (преимущественно 450—650° С), содержание феррита в шве должно быть ограничено до 2—3%.
Это требование особенно тщательно должно соблюдаться при сварке конструкций, длительно работающих при этих температурах, например контуров атомных станций, высокотемпературных химических реакторов, паропроводов, поверхностей нагрева котлов и др. Для сварки таких конструкций разработаны сварочные проволоки и электроды со строго регламентированным содержанием феррита в пределах 2—5% (например проволоки Св-04Х17Н10М2 и Св-02Х17Н10М2-ВИ и электроды 48А-1 и 48А-2, созданные на базе этих проволок).
Измельчение структуры шва путем создания в нем ферритной фазы нашло широкое применение на практике. Однако этот путь предотвращения образования кристаллизационных трещин не
588
может быть использован при сварке сталей с большим запасом аустенитности и тем более сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Чтобы при сварке таких сталей и сплавов получить двухфазные аустенитно-ферритные швы, понадобилось бы ввести в них чрезмерно большое количество ферритизаторов. Это неизбежно повлекло бы за собой значительное изменение свойств твердого раствора и резкое падение пластичности металла шва. Поэтому на практике сварку стабильноаустенитных сталей и сплавов выполняют в основном чистоаустенитными или двухфазными аустенитно-карбидными и аустенитно-боридными швами, отличающимися более высокой стойкостью против охрупчивания при длительной эксплуатации. Представляет также значительный интерес сварка двухфазными швами с хромоникелевой эвтектикой.
Предотвращение образования кристаллизационных трещин в чистоаустенитных швах достигается: ограничением содержания вредных примесей — серы, фосфора, свинца, сурьмы, олова, висмута, а также таких элементов, как кремний, титан, алюминий и ниобий, способствующих образованию по границам кристаллитов легкоплавких прослоек; заменой части никеля марганцем; легированием шва молибденом, вольфрамом, танталом, азотом, рением. Положительное действие этих элементов на стойкость чистоаустенитных швов против образования кристаллизационных трещин широко освещено в специальной литературе.
Перечисленные пути предотвращения образования кристаллизационных трещин в чистоаустенитных швах используют при разработке сварочных материалов. В качестве примера можно привести нашедшие применение на практике сварочные проволоки Св-08Х21Н10Г6, Св-08Х20Н9Г7Т, 1Х16Н14Г7В2Б (ЭП462), Св-10Х16Н25АМ6 с 0,1—0,2% азота, 06Х15НЗОГ8В7МЗТ (ЭП235), 08Х25Н55В15Т (ЭИ868), Св-06Х15Н60М15 и созданные на их базе сварочные электроды ЗИФ-1 (13Х20Н9Г6Т), ЦТ-23 (16Х15Н15Г6В2Б), ЭА-395/9 (09Х15Н25АМ6), ЦТ-22 (06Х15Н35В7Г6ТЮ), НИАТ-7 (06Х21Н55М10В12), ЦТ-28 (08Х13Н65М15В4) и др.
Создание в металле шва двухфазной аустенитно-карбидной или аустенитно-боридной структуры как средства борьбы с кристаллизационными трещинами также довольно широко применяется на практике. Чтобы металл шва приобрел двухфазное аустенитно-карбидное строение, его легируют углеродом. Однако углерод оказывает резко отрицательное действие на коррозионную стойкость высоколегированных сталей, сплавов и сварных швов. Поэтому к указанному средству повышения стойкости шва против образования кристаллизационных трещин при сварке нержавеющих сталей можно прибегать только при условии одновременного легирования их такими элементами, как ниобий и титан, способными связать углерод в прочные карбиды.
На практике аустенитно-карбидные композиции нашли применение преимущественно при сварке жаропрочных и жаростойких
589
Рис. 10-27. Влияние соотношения концентраций углерода и кремния на появление трещин в аустенитно-карбидных швах: с — при ручной сварке сплава типа 15-35;
б — при сварке под флюсом стали типа 25-20
сталей. На этом принципе, например, построены электроды КТИ-7-62 типа ЭА-4ВЗБ2 (наплавленный металл ЗХ15Н35ВЗБ2 с 0,25—0,32% С) для сварки жаропрочного сплава ХН35ВТ (ЭИ612), электроды ОЗЛ-9-1 (наплавленный металл ЗХ25Н18 с 0,15—0,25% С) и сварочная проволока Св-30Х25Н16Г7 для сварки жаростойких сталей типа 25-20.
В аустенитно-карбидных швах, так же как в чистоаустенитных, для повышения их стойкости против образования кристаллизационных трещин ограничивают содержание кремния до 0,3—■ 0,4%, а также снижают содержание серы и фосфора. Содержания углерода и кремния при этом рекомендуется поддерживать в определенных соотношениях (рис. 10-27).
Для создания в шве двухфазной аустенитно-боридной структуры достаточно легировать его бором в количестве более 0,2%. Важным преимуществом аустенитно-боридных швов является возможность повышения в них содержания кремния без боязни образования в них кристаллизационных трещин. Например, в чистоаустенитных швах типа Х14Н18В2Б кристаллизационные трещины обычно образуются уже при содержании 0,3—0,35% Si. Легирование этих швов бором в количестве 0,32—0,36% позволило повысить в них содержание кремния до 0,56%, и трещины при этом не образовывались. Критическая скорость деформации швов первого состава при испытании их по методике ИМЕТ-П оказалась равной нулю, а второго—-возросла до 3,5 мм/мин. Чем больше кремния в шве, тем выше должна быть концентрация бора. Так, для предотвращения образования кристаллизационных трещин в швах типа Х25Н20С2 с 2,5—3% Si содержание бора должно быть в пределах 0,4—0,7%.
На этом принципе созданы сварочная проволока 08Х25Н20СЗР1 (ЭП532) и электроды ОЗЛ/АНЖ-16, дающие наплавленный металл
590
Рис. 10-28. Влияние длительности старения на механические свойства аусте- нитно-боридной стали 08Х18Н12БР1 (ЭП381) с 0,63% В после старения при температуре 650° С (сплошные линии ) и 700° С (штриховые линии)
типа 08Х25Н20С2Р1 с 0,4—0,60% В для сварки жаростойких сталей типов Х25Н20С2, 4Х18Н25С2 и сплавов типа 3X18H35C3.
При содержании выше 0,8—1,0% В в швах и околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Устранение их достигается предварительным и сопутствующим подогревом сварного соединения до температуры выше 250—300° С.
Бор в указанных концентрациях повышает прочность и жаропрочность аустенитных сталей и сварных швов при сохранении достаточно высокой и, что очень важно, стабильной во времени длительной пластичности (рис. 10-28, 10-29).
Ауетенитно-боридные стали и сплавы применяют преимущественно в качестве жаропрочных и жаростойких конструкционных материалов. Возможно их применение также и в качестве коррозионностойких материалов. Выявлено положительное влияние боридной фазы на стойкость аустенитных сталей и сварных швов против коррозионного растрескивания в некоторых хлоридосодержащих средах, в частности в хлористом магнии и морской воде.
Наличие хромоникелевой эвтектики в металле шва способствует измельчению его структуры и повышению стойкости против образования кристаллизационных трещин.
В бинарной системе Сг—N1 хромоникелевая эвтектика образуется при 49% Ni. Однако в реальных сплавах, содержащих в качестве примесей или легирующих элементов марганец, кремний, вольфрам, молибден и другие элементы, хромоникелевая эвтектика образуется и при меньших содержаниях никеля. Естественно, что это не чистая хромоникелевая фаза, она, подобно боридной фазе, содержит в себе значительные количества примесей и легирующих элементов. Известен ряд хорошо сваривающихся зарубежных и советских сплавов этого типа ХН50 (ЭП668), ХН35В (ЭП468) и др.
310210310*4310210310*4Рис. 10-29. Длительная прочность аустенитно-боридной стали 08Х18Н12БР1 (ЭП381) с 0,57% В при различной температуре (цифрами у точек указано относительное удлинение)Рис. 10-29. Длительная прочность аустенитно-боридной стали 08Х18Н12БР1 (ЭП381) с 0,57% В при различной температуре (цифрами у точек указано относительное удлинение)
310210310*4
310210310*4
Рис. 10-29. Длительная прочность аустенитно-боридной стали 08Х18Н12БР1 (ЭП381) с 0,57% В при различной температуре (цифрами у точек указано относительное удлинение)
Рис. 10-29. Длительная прочность аустенитно-боридной стали 08Х18Н12БР1 (ЭП381) с 0,57% В при различной температуре (цифрами у точек указано относительное удлинение)
Сварочная проволока из сплава ЭП668 обеспечивает получение двухфазных (аустенит и хромоникелевая эвтектика) швов, стойких против образования кристаллизационных трещин.
Высокохромистые сплавы и сварные швы коррозионностойки при высоких температурах вплоть до 1000—1200° С в серосодержащих (H3S, SO3 и др.) средах, в топочных газах, имеющих в своем составе V2O5 (вызывает так называемую ванадиевую коррозию), и в некоторых средах, содержащих активные азот или хлор, например, в хлористом нитрозиле NOC1.
Применение фтористо-кальциевых электродных покрытий и фторидных сварочных флюсов способствует измельчению структуры металла шва и повышению в результате этого его стойкости против образования кристаллизационных трещин. Электроды с основным покрытием и фторидные флюсы по этой причине нашли преимущественное применение при сварке высоколегированных сталей и сплавов.
Помимо перечисленных чисто металлургических средств находят применение некоторые технологические приемы повышения стойкости высоколегированных швов против образования кристаллизационных трещин. Эти приемы в основном рассчитаны на изменение формы шва и характера кристаллизации металла.
Особенность дуговой сварки высоколегированных сталей заключается в том, что в ряде случаев стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин падает с увеличением коэффициента формы шва (рис. 10-30). При электрошлако- вой сварке пластинчатым электродом некоторых высоконикеле-
Рис. 10-30.
Влияние коэффициента формы провара на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин"
а — коэффициент провара 2, трещины есть,
б — коэффициент провара 1,3, трещин иет
вых сплавов (ЭИ435 и др.), наоборот, уменьшение коэффициента формы шва приводит к образованию кристаллизационных трещин, аналогично тому, что наблюдается при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Металл шва в этом случае кристаллизуется в виде елочки и кристаллиты в осевой его части соприкасаются торцами. В этом месте чаще всего образуются кристаллизационные трещины. При большом коэффициенте формы шва (порядка 2,5—3,5) кристаллиты растут в перпендикулярноосевом направлении и трещины в таком шве не образуются.
При дуговой сварке тавровых соединений из высоколегированных сталей и сплавов увеличение зазора при сборке до 1,5—2 мм благоприятно влияет на характер кристаллизации металла в корне шва. В результате образования кристаллизационных трещин в корне шва не происходит (рис. 10-31). Аналогичное явление наблюдается при сварке соединений типа клавишной пробы. Например, увеличение зазора между лопатками газотурбинного ротора позволяет повысить стойкость шва против образования поперечных трещин, идущих от зазора. Узкий зазор в этих случаях играет роль острого надреза, инициирующего трещину.
Опыт показывает, что влияние предварительного и сопутствующего подогревов сварного соединения высоколегированных сталей и сплавов может быть различным и зависит от их состава и свойств. В общем можно признать, что подогрев не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на стойкость высоколегированных швов против образования кристаллизационных трещин.
Рис. 10-31.Влияние зазора в корне шва на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин.Рис. 10-31.Влияние зазора в корне шва на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин.а, в — сварка без зазора, трещины есть,б, а — сварка с зазором, тре щи и нета, в — сварка без зазора, трещины есть,б, а — сварка с зазором, тре щи и нет
Рис. 10-31.
Влияние зазора в корне шва на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин.
Рис. 10-31.
Влияние зазора в корне шва на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин.
а, в — сварка без зазора, трещины есть,
б, а — сварка с зазором, тре щи и нет
а, в — сварка без зазора, трещины есть,
б, а — сварка с зазором, тре щи и нет
Более того, в ряде случаев он вреден вследстве увеличения провара основного металла и повышения в шве (в результате разбавления его основным металлом) концентрации кремния, серы, фосфора, ниобия и других элементов, вызывающих образование кристаллизационных трещин.
Подогрев полезен при сварке низкопластичных и литых высоколегированных сталей для предотвращения образования в сварных соединениях холодных трещин.
Большое влияние на образование кристаллизационных трещин в высоколегированных швах оказывает режим сварки. Швы, выполненные тонкой проволокой диаметром 1,2—2 мм на умеренных режимах при минимально возможных значениях погонной энергии сварки, обладают повышенной стойкостью против образования кристаллизационных трещин.
Во всех случаях сварки, независимо от структурного класса высоколегированных сталей и сплавов, предпочтение следует отдать сварочным материалам (проволокам, электродным стержням и покрытиям, флюсам) повышенной чистоты.
При сварке трудносвариваемых аустенитных сталей и сплавов обязательным является минимальное проплавление основного металла с целью недопущения повышения в шве концентрации кремния, меди, серы, фосфора, бора (речь идет о концентрациях до 0,1%), могущих вызвать в нем кристаллизационные трещины.
Большую опасность для эксплуатационной надежности конструкций представляют околошовные трещины, образующиеся при сварке плавлением высоколегированных сталей и сплавов. Сварщики научились получать качественные швы без трещин при сварке материалов этой группы. Однако значительно труднее предупредить образование околошовных трещин; как будет показано ниже, основная роль в решении этой задачи принадлежит металлургам, а не сварщикам.
При сварке плавлением высоколегированных сталей и сплавов в околошовной зоне возможны горячие строчечные, холодные и локальные трещины.
Горячие трещины (рис. 10-25, 10-32, 10-33, а) появляются в результате частичного расплавления в околошовной зоне по границам зерен или кристаллитов легкоплавких прослоек эвтектического происхождения и воздействия на околошовную зону напряжений, возникающих в результате сварочного нагрева. Таким трещинам особенно подвержены стали и сплавы с повышенным содержанием серы, фосфора, кремния, марганца в сочетании с медью, ниобия, легкоплавких примесей олова, сурьмы, свинца, до 0,1% бора (концентрация, при которой в стали еще не образуется сетка боридной фазы) и других элементов, способствующих образованию на границах зерен легкоплавких прослоек.
Мелкозернистые стали и сплавы менее подвержены околошов- ным горячим трещинам, чем крупнозернистые (см. рис. 10-32).
594
Рис. 10-32. Влияние величины зерна в сплаве ХН35ВТ (ЭИ725) на образование околошовных горячих трещин; X 100:
а — баллы 5 — 6 преимущественно, трещин нет;
б — балл 1 и крупнее, трещины есть
Особенно большие трудности в этом отношении встречает сварка крупнозернистых литых аустенитных сталей, например запорной энергетической арматуры из жаропрочных сталей типа 15-15, печных муфелей и катков из высококремнистых жаростойких сталей и сплавов 15Х25Н19С2Л, 20Х21Н46В8Л, 3X18H35C3 и др.
К мерам борьбы с околошовными горячими трещинами относятся:
а) создание в околошовной зоне двухфазной структуры — аустенит и первичный феррит, аустенит и боридная фаза (рис. 10-33,6), аустенит и хромоникелевая эвтектика; применение этого способа связано с изменением композиции свариваемой стали и далеко не всегда возможно; б) повышение чистоты сталей и сплавов от вредных примесей (серы, фосфора) и ограничение или исключение в них элементов, инициирующих образование околошовных горячих трещин; в) применение чистых сварочных материалов с ограниченным содержанием элементов, вызывающих горячие трещины; г) применение мелкозернистых (с баллом 7—8 и мельче) сталей и сплавов.
Рис. 10-33. Предотвращение появления околошовных горячих трещин в сплаве ХН77ТЮР путем создания в нем двухфазной аустенитно-боридной структуры; X 150.
а — в сплаве 0,005% В, трещины есть;
б — в сплаве 0,5% В, трещин нет
Для создания в околошовной зоне мелкозернистой структуры рекомендуется проковка кромок. Эта операция трудноконтролируема и недостаточно эффективна, однако в ряде случаев все-таки может быть использована.
Строчечные околошовные трещины обусловлены повышенной загрязненностью сталей и сплавов неметаллическими включениями и, преимущественно, строчечным их залеганием. Трещины этого типа, по-видимому, могут быть как горячими, так и холодными; носят они в основном межкристаллический характер (рис. 10-34, а, б).
Радикальным средством предотвращения образования околошовных строчечных трещин является повышение чистоты сталей и сплавов в отношении неметаллических включений. Эффективным средством борьбы с околошовными строчечными, а также и горячими трещинами в основном металле является электрошлаковый переплав (рис. 10-34, в, г). В этом отношении электрошлаковый переплав превосходит вакуумно-дуговой переплав, который не
позволяет полностью избавиться от строчечного скопления неметаллических включений.
Образование холодных трещин в шве и околошовной зоне возможно при сварке мартенситных и мартенситно-ферритных сталей, а также малопластичных сложнолегированных сталей и сплавов. Предварительный и сопутствующий подогревы до температур свыше 250—300° С предотвращают образование холодных трещин.
Ряд чистоаустенитных сталей (особенно легированных ниобием, титаном или с повышенным содержанием углерода) подвержены так называемым локальным разрушениям. Локальные разрушения — это трещины в околошовной зоне, возникающие в процессе длительной эксплуатации изделий при температурах старения сталей (550—700° С). Одной из причин их возникновения является снижение межзеренной пластичности аустенитной стали в результате воздействия сварочного нагрева.
Предложен ряд способов повышения стойкости аустенитных сталей против локальных разрушений: снижение содержания углерода в стали вплоть до предела его растворимости (0,02— 0,03%); исключение из состава стали ниобия; повышение запаса пластичности стали, например, с помощью электрошлакового переплава; применение присадочных материалов, обеспечивающих получение высокопластичных и менее прочных, чем основной металл, швов.
Обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений. В качестве коррозионностойких материалов (табл. 10-16) широко применяют хромоникелевые аустенитные и 13-, 17- и 28%-ные хромистые стали, а также хромомарганцевые аустенитные, хромоникелевые аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-боридные стали.
Оценку коррозионной стойкости металлов по ГОСТ 13819—68 производят по потере массы (пятибалльная шкала) или по глубинному показателю (десятибалльная шкала) (табл. 10-21).
Обладая высокой коррозионной стойкостью, аустенитные и хромистые стали подвержены опасному виду коррозионного разрушения межкристаллитной коррозии.
После воздействия на сталь или шов критических температур (500—800° С) выпадают комплексные карбиды железа и хрома. Выпадение этих карбидов влечет за собой обеднение хромом (ниже 10—12%) пограничных слоев зерен или кристаллитов твердого раствора и соответствующую потерю коррозионной стойкости металла. Существует также предположение, особенно в отношении хромистых сталей, что причиной межкристаллитной коррозии служат не обеднение хромом, а местные напряжения высшего порядка, возникающие на границах зерен в результате выпадения карбидов. Считают также, что карбиды эти богаты скорее железом, чем хромом. Поэтому разрушаются агрессивной жидкостью сами карбиды, а не обедненный хромом твердый раствор.
Таблица 10-21
Классификация коррозионной стойкости металлов по пяти- и десятибалльной шкалам
Пятибалльная шкала
Балл
Десятибалльная шкала
Группа стойкости металла
Потери массы, г/м2 ч
Группа стойкости металла
Скорость коррозии, мм/год
Весьма стойкий
<0,10
1
Совершенно стойкий
<0,001
Стойкий
Сравнительно стойкий
0,10—0,1 1,0—3,0
2
3
Весьма стойкий
0,001—0,005 0,005—0,01
Малостойкий Нестойкий
3,0—10,0 >10,0
4
5
Стойкий
0,01—0,05 0,05—0,10
6
7
Пониженностойкий
0,10—0,50 0,50—1,0
8
9
Малостойкий
1,0—5,0 5,0—10,0
10
Нестойкий
>10,0
В процессе сварки отдельные участки околошовной зоны подвергаются нагреву до температур, могущих вызвать распад твердого раствора и выпадение карбидов. Впоследствии в этих участках может развиваться межкристаллитная коррозия. Межкристаллитная коррозия может поразить также участки шва, подвергавшиеся повторному воздействию сварочного нагрева, а именно места пересечения швов (рис. 10-35, а), места возобновления сварки после смены электродов (рис. 10-35, б), первый шов при двусторонней сварке (рис. 10-35, в, г). Этот вид коррозии может наблюдаться и на границе шов — основной металл в виде так называемой ножевой коррозии, охватывающей по ширине всего несколько зерен. Ножевая
Рис. 10-35. Межкристаллитная коррозия в результате сварочного нагрева: а — при сварке пересекающихся швов;
б — при возобновлении сварки после смены электродов, в, г — при двустороннем шве;
К — места выпадения карбидов, подверженные коррозии
коррозия наблюдается преимущественно в сталях, стабилизированных титаном или ниобием.
Известны следующие средства борьбы с межкристаллитной коррозией при сварке высоколегированных сталей и сплавов.
Снижение содержания углерода в основном металле и металле шва до 0,02—0,03%, т. е. до предела его растворимости в аустените. При столь малой концентрации углерод остается в твердом растворе при любой температуре, и выпадение карбидов хрома исключается.
Легирование сталей и швов титаном, ниобием, танталом, цирконием, ванадием. Обладая большим сродством к углероду, чем хром, эти элементы дают устойчивые карбиды. В результате карбиды хрома не образуются, и развитие межкристаллитной коррозии исключается.
Закалка (для сталей типа 18-10 от 1050—1100° С). При нагреве под закалку карбиды хрома растворяются в аустените, а быстрое остывание фиксирует однородное строение стали или сплава. Повторное воздействие критических температур в процессе сварки, естественно, может снова привести металл в состояние склонности к межкристаллитной коррозии.
Стабилизирующий отжиг в течение 2—3 ч при температуре 850—900° С с охлаждением на воздухе (для хромистых сталей отжиг при 760—780° С). Нагрев при указанных температурах приводит к наиболее полному выпадению карбидов и стабилизации их состава. При последующем воздействии более низких критических температур обеднения хромом вследствие выпадения карбидов не произойдет.
Повышение в швах содержания феррита до 20—-25% путем дополнительного легирования их хромом и такими элементами, как кремний, алюминий, ванадий, молибден, вольфрам.
Для предупреждения ножевой коррозии применяют также некоторые технологические приемы, направленные на недопущение или уменьшение перегрева металла в околошовной зоне. К ним относятся: сварка короткой дугой на максимальных скоростях; сварка очередного валика после полного остывания предыдущего; сварка слоя, обращенного к агрессивной среде, в последнюю очередь; охлаждение сварного соединения со стороны ранее заваренного шва и др. Термообработка сварных изделий далеко не всегда возможна, поэтому наиболее эффективными средствами предупреждения межкристаллитной коррозии являются снижение содержания в стали и шве углерода и легирование их такими энергичными карбидообразователями, как титан и ниобий.
Общая жидкостная коррозия шва и околошовной зоны возникает в результате воздействия агрессивного реагента на сварное соединение. Основными методами уменьшения этого вида коррозии являются сварка изделий швами идентичного с основным металлом состава и правильный выбор режима термообработки.
600
Аустенитные стали подвержены еще одному виду коррозии, так называемому коррозионному растрескиванию. Коррозионное растрескивание стали и сварных швов возникает в результате совместного воздействия растягивающих напряжений и агрессивных реагентов, в частности, хлоридных солей (MgCl2, NaCI) морской воды, бидистиллата, некоторых кислот.
Находят применение следующие меры предупреждения коррозионного растрескивания сталей и сварных швов: повышение в них содержания никеля более 40%; создание двухфазной аусте- нитно-ферритной или аустенитно-боридной структуры (содержание не менее 0,5—0,8% В); предупреждение коробления и наклепа сварного изделия, способствующих возникновению растягивающих напряжений в отдельных объемах металла.
Наклеп сварных конструкций и узлов из высоколегированных сталей и сплавов нежелателен. В местах наклепа коррозионная стойкость металла изменяется. Наклеп заметно повышает стойкость металла против межкристаллитной и общей коррозии в окислительных средах (азотная и хромовая кислоты), но может резко снизить ее в неокислительных средах (серная кислота). Избежать наклепа в производственных условиях трудно, поэтому термообработка сварных узлов в этих случаях желательна.
Обеспечение жаростойкости сварных соединений. Способность сталей, сплавов и сварных швов противостоять образованию окалины под действием высоких температур определяется их химическим составом и прежде всего содержанием хрома (см. табл. 10-17 и 10-18). При выборе системы легирования металла шва необходимо иметь в виду, что кремний и алюминий также энергично повышают жаростойкость металла, а ванадий и бор ее снижают. Вольфрам и молибден несколько ослабляют способность металла шва сопротивляться окалинообразованию. Марганец в пределах до 4—6% не оказывает заметного влияния на жаростойкость металла шва.
В общем случае при сварке жаростойких сталей и сплавов нужно стремиться приблизить композицию металла шва к составу основного металла.
Обеспечение стойкости металла шва против образования пор. Азот хорошо растворяется в высоколегированных сталях, поэтому пор в сварных швах не вызывает.
Основным возбудителем пор при сварке высоколегированных сталей и сплавов является водород, поступающий в сварочную ванну в основном из флюса, электродного покрытия или защитного газа. Эффективное средство предупреждения пор — удаление влаги из флюсов, электродных покрытий и газов. Флюсы и электроды необходимо прокаливать непосредственно перед сваркой, а газ осушать в процессе сварки.
Сварку высоколегированных сталей и сплавов под фторидными флюсами и электродами с фтористо-кальциевым покрытием производят обычно на постоянном токе обратной полярности,
601
что позволяет резко уменьшить опасность появления пор в швах (§ 35).
- j, При сварке в аргоне некоторых аустенитных сталей и сплавов иногда наблюдается образование пор по границе сплавления. Возбудителем этих пор, по-видимому, служит водород, попавший в основной металл при электролитическом" травлении. Добавка к аргону 2—5% кислорода предупреждает образование пор в этом случае.
В остальном требования к высоколегированным сталям и сплавам в отношении предотвращения пор в швах такие же, как и при сварке обычных углеродистых сталей.
Получение и сохранение в процессе эксплуатации заданных свойств сварного соединения. Выполнение этих требований при сварке высоколегированных сталей вызывает значительные трудности. Чтобы обеспечить получение аустенитных швов без трещин, часто приходится прибегать к применению присадочных материалов, отличающихся по композиции от основного металла. В ряде случаев это делается даже в ущерб свойствам сварного соединения. Например, для сварки высокожаропрочных сложнолегированных аустенитных сплавов типа ХН77ТЮ (ЭИ437А) и ХН70ВМЮТ (ЭИ765) применяют сварочную проволоку ЭП367 (ХН60М15) и электроды ЦТ-28 (08Х13Н65М15В4) на базе этой проволоки или электроды ИМЕТ-4П (09Х14Н60М24), которые обеспечивают получение швов без трещин, но с более низкими, чем у основного металла, жаропрочными свойствами.
Имеются определенные трудности и со сваркой хромистых коррозионностойких сталей. В околошовной зоне этих сталей в результате воздействия сварочного термического цикла происходит значительное укрупнение зерна. Это одна из причин резкого падения вязкости металла околошовной зоны. Высокотемпературный отпуск при 760—780° С значительно повышает пластичность металла околошовной зоны на этих сталях.
Еще труднее сохранить полученные свойства сварных соединений при длительной эксплуатации. В результате более или менее длительного пребывания при высоких температурах (500— 850° С) высоколегированные швы в значительной мере лишаются своей первоначальной пластичности: происходит так называемое охрупчивание металла. Известны три вида охрупчивания металла высоколегированных швов: тепловая хрупкость, сигматизация и старение.
Тепловая или, как ее иногда называют, 475-градусная хрупкость, не сопровождается явными структурными изменениями. Она является своего рода старением, обусловленным, по-видимому, выпадением субмикроскопических частиц на границах зерен твердого раствора. Явление тепловой хрупкости возникает в результате нагрева при температурах 350—500° С высокохромистых (более 15% Сг) ферритных и аустенитно-ферритных швов, содержащих более 15—20% сложнолегированного феррита. Тепловому
охрупчиванию способствуют хром, ванадий, ниобий, кремний, в меньшей мере титан и алюминий. Радикальным средством предотвращения тепловой хрупкости является ограничение содержания феррита в двухфазных сварных швах.
Сигматизация — появление в металле шва при длительной выдержке в интервале температур 550—875° С хрупкой структурной составляющей — интерметаллида типа FeCr, известного под названием о-фазы. Чаще всего о-фаза образуется в аустенит- но-ферритных швах и хромистых швах независимо от их структуры. Она может образоваться также и в аустенитных швах с повышенным содержанием хрома (порядка 25% и более).
Эффективным средством предотвращения образования о-фазы является нагрев сварных соединений до температуры 1050—• 1100° С с последующим быстрым охлаждением.
Применительно к двухфазным аустенитно-ферритным швам сигматизацию можно предупредить также ограничением в них содержания первичного феррита (менее 20%). Чтобы предотвратить сигматизацию чистоаустенитных швов, необходимо по возможности ограничивать в них содержание молибдена, ванадия, вольфрама, хрома и кремния, а также повышать концентрацию углерода и азота.
Падение пластичности швов и основного металла в результате старения происходит при длительной эксплуатации сварных соединений при повышенных температурах (500—750° С). Оно сопровождается выделением по границам зерен вторичных карбидов и интерметаллидов. Находят применение следующие средства борьбы с этим видом охрупчивания: снижение в металле шва содержания углерода и нагрев сварного соединения до температур выше 900° С, при которых происходит распад вторичных карбидов и интерметаллидов.
Технологические особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов. Технология сварки высоколегированных сталей такая же, как и углеродистых конструкционных сталей. Вместе с тем имеется ряд специфических особенностей, присущих только этой группе материалов. Пониженная теплопроводность и высокий коэффициент линейного расширения обусловливают усиленное коробление конструкций и узлов из высоколегированных сталей и сплавов. Поэтому для их сварки применяют режимы, которые характеризуются минимальной концентрацией нагрева. В этом смысле лучшие результаты дает механизированная сварка под флюсом и в среде защитных газов.
Аустенитные стали и сплавы обладают большим электрическим сопротивлением. Это обусловливает более высокий коэффициент наплавки аустенитной проволоки по сравнению с этим коэффициентом для низкоуглеродистой. Поэтому необходимо выполнять их сварку при уменьшенном вылете электрода (при ручной дуговой сварке применяют укороченные электроды), уменьшают также скорость подачи проволоки при механизированной сварке.
При одной и той же силе тока глубина провара аустенитной стали больше, чем углеродистой. Поэтому для получения заданной глубины провара снижают величину тока на 10—15%.
Высоколегированные сварочные проволоки и электродные стержни содержат титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду и азоту. Поэтому сварку высоколегированных сталей и сплавов необходимо выполнять короткой дугой без колебаний конца электрода. Такая технология позволяет уменьшить угар элементов и в значительной мере предотвратить загрязнение металла шва оксидными и нитридными включениями, сохранить постоянство химического состава металла шва. С этой точки зрения преимущество снова остается за механизированной сваркой.
Ряд дополнительных специфических требований характерен для коррозионностойких сталей. В частности, при сварке не допускается попадание брызг присадочного металла или металлической ванны на основной металл. В месте приварки брызг обычно образуются очаги межкристаллитной коррозии или коррозионного растрескивания. По этой же причине запрещается возбуждать дугу на основном металле шва. Особое внимание необходимо обращать на крепление сварочного кабеля к свариваемой конструкции. При плохом контакте сталь подгорает, подплавляется, нередко обогащаясь в этом месте медью. Это также потенциальные очаги коррозионного разрушения и межкристаллитной коррозии.
Лучшей коррозионной стойкостью обладают гладкие швы с плавным переходом к основному металлу. В этом еще одно преимущество механизированной сварки под флюсом и в среде инертных газов.
Складки на поверхности шва, углубления между чешуйками, щели или непровары в корне шва при воздействии агрессивной среды могут явиться возможными очагами сосредоточенной и щелевой коррозии. В связи с этим в сварных конструкциях из коррозионностойких сталей, если корень шва соприкасается с агрессивной средой, совершенно недопустимы стыковые соединения в замок или на остающейся подкладке. В данном случае должно быть отдано предпочтение стыковым соединениям с полным проваром корня шва. Если доступ к корню шва затруднен или невозможен (например в стыках трубопроводов), необходимо ориентироваться на газоэлектрическую сварку с расходуемыми вставками и полным их расплавлением.
Во избежание усиленной коррозии остатки шлаковой корки на поверхности швов и основного металла после сварки должны быть тщательно удалены. Очистка пневматическим зубилом и другими способами, при которых образуются вмятины и забоины, нежелательна. В этих местах может произойти коррозионное растрескивание металла.
Из сказанного следует, что получение надежно работающих конструкций и узлов из высоколегированных сталей и сплавов
604
требует от сварщиков весьма тщательного и грамотного к ним подхода. Технологию сварки необходимо назначать с учетом всех возможных условий эксплуатации сварных соединений. Конструировать изделия из высоколегированных сталей и сплавов следует с учетом конкретной возможной технологии их сварки.
§ 10-10. Сварка плавлением высоколегированных сталей и сплавов
При изготовлении изделий из высоколегированных сталей и сплавов применяют все виды сварки плавлением: под флюсом, покрытыми электродами, в среде защитных газов, плазменную, контактную, электрошлаков ую, электроннолучевую, а также специальные виды сварки: диффузионную в вакууме, сварку трением и др. Значительную часть узлов из жаропрочных сталей и сплавов изготовляют пайкой.
Сварка под флюсом. Сварка под флюсом является ведущим технологическим процессом в производстве химической и нефтехимической аппаратуры из коррозионностойких сталей. Находит применение она и при производстве изделий из жаропрочных сталей и сплавов.
Столь широкое применение сварки под флюсом обусловлено рядом существенных преимуществ ее перед ручной сваркой. При сварке под флюсом, как и при других методах механизированной сварки плавлением, можно получать швы практически любой длины без перерывов. При этом резко уменьшается число кратеров. Это имеет большое значение, так как на высоколегированных швах возможность образования кристаллизационных трещин в кратерах значительно выше, чем на углеродистых.
Но самое большое значение имеет постоянство условий сварки под флюсом и, как следствие, постоянство химического состава и свойств металла шва. Это очень важно в отношении высоколегированных сталей и сплавов, потому что незначительное изменение химического состава металла шва может привести к образованию в нем кристаллизационных трещин или существенному ухудшению его коррозионных или жаропрочных свойств. Например, повышение в металле аустенитного шва количества углерода на 0,02—0,03% в ряде случаев может привести к потере его коррозионной стойкости, а повышение содержания кремния на 0,2—0,3% может быть причиной образования кристаллизационных трещин и т. д.
Сварка под флюсом дает возможность получать гладкие швы практически без чешуек с плавным переходом к основному металлу. Такие швы отличаются более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со швами, выполненными вручную. Это еще одно немаловажное преимущество сварки под флюсом перед всеми видами ручной сварки.
605
Техника сварки под флюсом высоколегированных сталей и сплавов практически не отличается от техники сварки обычных углеродистых сталей. Имеется, однако, ряд специфических особенностей, характерных только для высоколегированных сталей и сплавов.
К числу этих особенностей относится преимущественное использование постоянного тока. Это вызвано тем, что для сварки высоколегированных сталей и сплавов применяют фторидные и высокоосновные бесфтористые флюсы, сварка под которыми на переменном токе затруднена. Сварку под фторидными флюсами независимо от их окислительной способности производят постоянным током обратной полярности, а под высокоосновными бесфто- ристыми флюсами ■— постоянным током прямой полярности (см. § 42).
Сварку под флюсом высоколегированных сталей и сплавов выполняют швами относительно небольшого сечения (более стойки против кристаллизационных трещин), что предопределило преимущественное использование в этом случае тонкой проволоки. Наиболее широко применяют проволоку диаметром 2—3 мм, в то время как при сварке углеродистых сталей предпочтительна более толстая проволока (диаметром 3—5 мм). В связи с этим при сварке высоколегированной проволокой приходится значительно уменьшать вылет электрода.
Проволока из аустенитных сталей и сплавов из-за пониженной теплопроводности и высокого электрического сопротивления при прочих равных условиях плавится быстрее, чем обычная низкоуглеродистая проволока. Поэтому для получения сварных швов с хорошим формированием вылет электрода приходится еще больше уменьшать (примерно в 1,5—2 раза по сравнению с вылетом обычной стальной проволоки). Так, при сварке аустенитной проволокой диаметром 2—3 мм вылет электрода не должен превышать 20—30 мм.
Температура плавления аустенитных сталей и сплавов на 50—150° С ниже, чем обычных углеродистых. Поэтому для получения провара такой же глубины, как и на углеродистых сталях, при сварке под флюсом, а также и других видах сварки плавлением аустенитных сталей и сплавов величину тока следует уменьшать на 10—30%.
Особое внимание при механизированной сварке сталей и сплавов этой группы необходимо обращать на состояние токоподводящих мундштуков. Из-за более высокого коэффициента трения высоколегированной проволоки по меди и медным сплавам мундштуки быстро изнашиваются. В результате нарушается электрический контакт между мундштуком и проволокой и ухудшается формирование шва; возможно образование дефектов типа непроваров, подрезов и др.
Для сварки под флюсом высоколегированных сталей и сплавов используют почти все сварочные проволоки, предусмотренные
606
ГОСТ 2246—70 (табл. 10-22). Кроме того, для сварки сталей и сплавов этой группы применяют довольно большое количество сварочных проволок, выпускаемых по ведомственным техническим условиям (табл. 10-23).
Высоколегированные жаропрочные стали и сплавы сваривают в основном под фторидными безокислительными флюсами АНФ-1П, АНФ-5, АНФ-8, АНФ-23, АНФ-24, 48-ОФ-6, а также окислительными бескремнистыми флюсами АНФ-17 (система CaF3—■ А12О3—МпО) и АНФ-22 (система CaF2—В2О3). Для сварки коррозионностойких сталей наибольшее применение получили низкокремнистые флюсы АН-26, 48-08-10 и АНФ-14 (см. § 42).
Практически все флюсы для сварки высоколегированных сталей и сплавов способны гидратироваться. Поэтому во избежание образования пор в швах их необходимо прокаливать непосредственно перед сваркой.
Флюсы, используемые для сварки коррозионностойких сталей, подлежат обязательному контролю на углерод. Содержание его во флюсе не должно превышать 0,2%, а в случае сварки сверхнизкоуглеродистых сталей содержание углерода во флюсе желательно ограничить до 0,1%.
Современные фторидные флюсы в сочетании с высоколегированными проволоками позволяют успешно сваривать ответственные конструкции из высоколегированных сталей и сплавов.
Ручная дуговая сварка. Высоколегированные стали и сплавы вручную сваривают так же, как и обычные конструкционные стали. Вместе с тем имеется ряд специфических особенностей, главные из которых: преимущественное применение электродов с фтористо-кальциевым покрытием; сварка на постоянном токе обратной полярности-; сварка короткой дугой без поперечных колебаний конца электрода; сварка сравнительно короткими электродами на небольших токах.
В соответствии с ГОСТ 9466—60 и 10052—62 типы электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов обозначаются индексами Э, ЭАФ, ЭФ и ЭА (табл. 10-24).
Размеры и общие технические требования к указанным электродам регламентированы ГОСТ 9466—60. Условное обозначение электродов в соответствии с этим ГОСТом должно включать марку электрода, тип электрода, диаметр сварочной проволоки и номера ГОСТов.
Для примера приведем условное обозначение электродов ОЗЛ-7 типа ЭА-1Б диаметром 4 мм, применяемых для сварки сталей типа Х18Н10Т: ОЗЛ-7 — ЭА-1Б-4,0 ГОСТ 10052—62 и ГОСТ 9466—60.
Ряд марок электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов предусмотрен также ведомственными техническими условиями.
Для сварки коррозионностойких аустенитных сталей типа 18-10 и 17-13, жаропрочных сталей типа 14-14 и 14-16 и жаро-
607
Состав проволок для сварки высоколегированных сталей и сплавов, % (ГОСТ 2246—70)
Марка проволоки
С
Мп
Si
Сг
Ni
Ti
S
Р
Другие элементы
не б
олее
Св-12Х11НМФ . . .
0,08—0,15
0,35— 0,65
0,25—0,55
10,5—12,0
0,6—0,9
—
0,025
0,030
0,25—0,50 V 0,6—0,9 Мо
Св-12Х13
0,09—0,14
0,30— 0,70
0,30—0,70
12,0—14,0
<0,6
—
0,025
0,030
—
Св-10Х17Т
scO,12
<0,7
<0,8
16,0—18,0
<0,6
0,2—0,5
0,025
0,035
Св-13Х25Т
<0,15
<0,8
<1,0
23,0—27,0
<0,6
0,2—0,5
0,025
0,035
Св-04Х19Н9 . . . .
<0,06
1,0—2,0
0,5—1,0
18,0—20,0
8,0—10,0
—
0,018
0,025
Св-06Х19Н9Т . . . .
<0,08
1,0—2,0
0,4—1,0
18,0—20,0
8,0—10,0
0,5—1,0
0,015
0,030
Св-07Х19Н10Б . . .
0,05—0,09
1,5—2,0
<0,7
18,5—20,5
9,0—10,5
—
0,018
0,025
1,2—1,5 Nb
Св-05Х19Н9ФЗС2
<0,07
1,0—2,0
1,3—1,8
18,0—20,0
8,0—10,0
0,025
0,030
2,2—2,7 V
| Св-08Х20Н9С2БТЮ
<0,10
1,0—2,0
2,0—2,5
19,0—21,0
8,0—10,0
0,6—1,0
0,020
0,035
0,6—1,0 Nb
0,3—0,7 Al
Св-06 Х19Н10МЗТ
<0,08
1,0—2,0
0,3—0,8
18,0—20,0
9,0—11,0
0,5—0,8
0,018
0,025
2,0—3,0 Mo
Св-10Х16Н25АМ6
0,08—0,12
1,0—2,0
<0,60
15,0—17,0
24,0—27,0
—
0,018
0,025
5,5—7,0 Mo 0,1—0,2 N
Св-ЗОХ15Н35ВЗБЗТ
0,27—0,33
0,5—1,0
<0,60
14,0—16,0
34,0—36,0
0,2—0,7
0,015
0,025
2,5—3,5 W
2,8—3,5 Nb
Св-07Х25Н13 . . . .
. <0,09
1,0—2,0
0,5—1,0
24,0—26,5
12,0—14,0
—
0,018
0,025
—
. Св-13Х25Н18 . . . .
<0,15
1,0—2,0
<0,50
24,0—26,5
17,0—20,0
0,015
0,025
ГСв-08Х25Н13БТЮ
<0,10
<0,55
0,6—1,0
24,0—26,0
12,0—14,0
0,5—0,9
0,020
0,030
0,7—1,1 Nb
0,4—0,9 Al
Св-01 Х23Н28МЗДЗТ
<0,03
<0,55
<0,55
22,0—25,0
26,0—29,0
0,5—0,9
0,018
0,030
2,5—3,0 Mo
2,5—3,5 Cu
Св-06Х15Н60М15
<0,08
1,0—2,0
<0,50
14,0—16,0
Основа
—
0,015
0,015
14,0—16,0 Mo До 4,0 Fe
Св-06Х24Н6ТАФМ
<0,08
<0,80
<0,70
23,0—25,0
5,5—6,5
0,08— 0,20
0,018
0.030
0,06—0,12 Mo
0,08—0,15 V
0,10—0,20 N
Марка проволоки
С
Si
Мп
Сг
Ni
Ti
Nb
Mo
Другие элементы
олее
ЭП88
0,10
0,35
6,0—8,0
14,0—16,0
22,0—25,0
—
2,0—3,0
6,0—8,0 W
ЭП467
0,08
0,5
0,5—1,0
14,5—16,5
23,0—25,0
1,5—2,2
—
—
4,0—5,0 W
0,4—0,7 В
ЭП235
0,08
0,35
7,0—8,5
14,0—16,0
34,0—36,0
1,3—1,8
—
3,0—4,0
7,5—8,5 W
ЭП497
0,10
0,35
6,0—8,0
14,0—16,0
22,0—25,0
—
6,0—8,0
<0,3 w
ЭП532
0,10
2,5—3,0
<1,5
24,0—27,0
18,0—21,0
—
—
—
0,4—0,7 В
ЭП550
0,020
0,40
1,0—2,0
17,0—19,0
9,5—11,0
—
—
—
—
ЭП551
0,020
0,40
<0,8
16,0—18,0
13,5—15,0
—
—
2,0—3,0
—
ЭП552
0,020
0,40
1,0—2,0
17,0—19,0
9,5—11,0
—
0,20—0,40
•—•
—
ЭП554
0,020
0,20
1,5—2,5
23,0—26,0
20,0—22,0
—
—
—
—
ЭП499
0,40—0,50
0,6
13,0—15,0
14,0—16,0
<0,5
—
—
—
1,2—1,8 Al
ЭП577
0,40—0,50
1,2—1,8
13,0—15,0
14,0—16,0
<0,5
—
—
—
1,2—1,8 Al
39 Заказ я? 732
Состав высоколегированных сварочных проволок, %
Таблица 10-24
Электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов
Электрод
Тип наплавленного металла
Содержание а фазы в наплавленном металле, %
Механические свойства 20° С
Свариваемые стали и сплавы
Тип (ГОСТ 9466—60)
Марка (ГОСТ 10052—62)
S
5
Э-Х5МФ-Ф . . .
ЦЛ-17-63
10Х5МФ
Не нормируется
55,0
14,0
6,0
Мартенситные Х5, Х5М, Х5ВФ и им подобные
ЭАФ-1
цл-зз
07Х22Н8
12—20
65,0
20,0
7,0
Аустенитно-ферритные
1Х21Н5Т (ЭИ811)
ЭАФ-1МФ . . .
08Х25Н5ТМФ
Н-48
12Х25Н5МФ
40—60
70,0
18,0
4,0
0Х21Н5Т (ЭП53), Х25Н5ТМФ (ЭИ954) и им подобные
Электрод
Тип наплавленного металла
Содержание а фазы в наплавленном металле, %
Механические свойства при 20°С
Свариваемые стали и сплавы
Тип (ГОСТ 9466-60)
Марка (ГОСТ 10052-62)
S S
со и
3
s'
о" к
ЭФ-Х12ВМНФ
КТИ-10-62
15Х11ВМНФ
Не нормируется
75,0
12,0
4,0
Мартенситно-ферритные 1X11МФ, 15Х12ВМФ, Х11Л-А, Х11Л-Б
ЭФ-Х17 . . .
УОНИ/ЮХ17Т
14Х17Н2
То же
65,0
Не норми-
Мартенситные типа 1Х17Н2
ЭА-1
ОЗЛ-14
08Х20Н9
6,0—10,0
58,0
36,0
12,0
Аустенитные 0Х18Н10, 0Х18Н0Т и им подобные, работающие при температурах до 350° С
ЭА-1М2Б . . . .
СЛ-28
13Х19Н10МЗБ
4,0—5,0
60,0
38,0
12,0
Аустенитные X17H13M3T, Х17Н16МЗТ, 1Х16Н13М2Б и аустенитно-ферритные типа 0Х21Н6М2Т, работающие при температуре до 350° С
ЭА-2Б
ЗИО-7
08Х24Н13Б
Не менее
2,5
60,0
25,0
7,0
Ферритные типа Х25Т, работающие в агрессивных средах с требованием стойкости против межкристаллитной коррозии, применяются также для сварки высоколегированного слоя типа Х18Н10Т, 0X13 двухслойных сталей
ЭА-ЗМ6
ЭА-395/9
15Х15Н25М6
Нет
62,0
30,0
12,0
Жаропрочные аустенитные с содержанием25—35%Ni.
Аустенитные с неаустенитными
ЭА-4ВЗБ2 . . . .
КТИ-7-62
32Х15Н35ВЗБ2
»
62,0
30,0
12,0
Жаропрочные типа ХН35ВТ
610
Стойких сталей типа 25-20 ГОСТ 10052—62 и рядом технических условий рекомендуется довольно много однотипных электродов. Ту или иную марку электродов необходимо выбирать в зависимости от конкретных условий эксплуатации сварных соединений.
Режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов аустенитными электродами назначают с таким расчетом, чтобы отношение величины тока к диаметру электрода не превышало 25— 30 А/мм (табл. 10—25). При сварке аустенитными электродами в вертикальном или потолочном положении силу тока уменьшают на 10—30% по сравнению с этим параметром при сварке в нижнем положении. Электроды перед сваркой во избежание образования пор в металле шва надлежит прокаливать при температуре 250—400°С в течение 1—1,5 ч.
Газоэлектрическая сварка в аргоне и гелии. Газоэлектрическая сварка заняла прочные позиции в производстве сварных конструкций из высоколегированных сталей и сплавов. Наряду с такими старыми способами сварки, как аргоно- и гелиево-дуговая, успешно применяют также сварку в углекислом газе и в различных газовых смесях.
Замечательной особенностью аргоно- и гелиево-дуговой сварки является стабильность дуги, высокое качество сварных швов, обусловленное хорошей защитой зоны сварки от воздуха, и, что особенно важно, возможность наложения швов, занимающих произвольное положение в пространстве. При аргоно-дуговой сварке защита дуги и сварочной ванны от воздуха более надежна, чем в случае использования гелия, так как аргон тяжелее воздуха.
Аргоно-дуговую сварку высоколегированных сталей и сплавов производят плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродами. В первом случае применяют постоянный ток обратной полярности, во втором—прямой.
Сварку вольфрамовым электродом сталей и сплавов с высоким содержанием алюминия с целью разрушения окисной пленки рекомендуется выполнять на переменном токе.
При выполнении швов вольфрамовым электродом возможно попадание в металл шва частиц вольфрама. Наиболее частая причина разрушения электрода—неправильный выбор силы тока (чаще всего чрезмерно большая сила тока для данного диаметра электрода). Для получения качественных, ровных, хорошо сформированных швов необходимо своевременно затачивать вольфрамовый электрод. Это исключает перемещение активного пятна по торцу электрода; шов становится ровнее, без искривлений, с практически одинаковой глубиной провара по всей длине. Сварку в аргоне и гелии вольфрамовым электродом выполняют без присадочной проволоки (преимущественно при изготовлении конструкций из тонколистовых сталей) и с присадочной проволокой, вручную и на автомате (табл. 10-26 и 10-27). Сварку вручную необходимо выполнять так, чтобы конец присадочной проволоки все время находился в струе защитного газа.
Электроды
Сила сварочного тока (А) при сварке в нижнем положении электродами диаметром, мм
и к
Si?
i2
gO
£ * 5 ~
к( cy m ч
x s ч 5
U £B C (- о w У
2 ° “
° я o
О о с СО е; со
Свариваемые стали и сплавы
Тип
Марка
2
3
4
5
Э-Х5МФ-Ф
ЦЛ-17-63
—
80—120
130—160
180—210
10,5
1,6
Любое
Мартенситные Х5, Х5М, 15Х5МФА и им подобные
ЭАФ-1
ЦЛ-33
—
80—110
100—140
160—200
13,0
1,5
»
Аустенитно-феррптные и кавитационностойкие типа 10Х18МЗГЗД2Л
ЭФ-Х13
УОНИ/10Х13
—
90—120
160—200
200—250
11,0
1,6
»
Хромистые 0X13, 1X13, 2X13, Х14
ЭА-1Б
ЦЛ-11
40—55
70—90
110—130
140—160
12,5
1,8
»
Аустенитные Х18Н10Т, 0Х18Н12Т и им подобные
ЭА-2
ОЗЛ-6
30—50
60—80
120—140
140—160
11,5
1,6
»
ЖаростойкиеХ23Н13
(ЭИ319), Х23Н18
(ЭИ417), Х25Т, Х28,
Х28АН и им подобные
ЭА-ЗМ6
НИАТ-5
30—50
50—80
100—140
130—170
12,5
1,8
Нижнее и вертикальное
Жаропрочные типа ЭИ395, высокопрочные типа ЗОХГСНА
Э^-4ВЗБ2
КТИ-7-62
—
80—100
110—130
140—160
11,2
1,6
Нижнее
Жаропрочные типа ХН35ВТ (ЭИ612)
ЦТ-28
80—100
110—140
10,5
1,75
Любое
ЖаропрочныеХН78Т
(ЭИ435), ХН77ТЮ (ЭИ437А), ХН70ВМЮТ (ЭИ765) и им подобные
612
Таблица 10-25
Типичные режимы ручной электродуговой сварки покрытыми электродами высоколегированных сталей и сплавов
Таблица 10-26
Режимы ручной дуговой сварки вольфрамовым электродом в аргоне
Материал
Вид соединения и толщина металла,
Род тока
7СВ’ А
^СВ’ м/ч
Характеристика аргона (расход 3—4 л/мин)
Коррозионностой кая
Встык
Переменный
35—75
15—33
Технический
сталь
1,0
Постоянный
30—60
12—28
»
Встык
Переменный
45—85
14—31
»
1,5
11ОСТОЯННЫЙ
40—75
9—19
»
Втавр 1,5
Переменный
40—60
7—9
»
Жаропрочные сплавы на никелевой осно-
Встык 1,0
»
40—70
15—30
Чистый
ве
Встык
1,5
»
45—60
7—9
»
Примечание Диаметр присадочной проволоки 1,6 мм.
Аргоно-дуговая сварка плавящимся электродом имеет свои особенности, отличающие ее от сварки под флюсом и покрытыми электродами. Эта особенность состоит в том, что перенос металла в дуге должен быть струйным, а не капельным. Струйный процесс, как известно, возможен только при сварке на токах большой плотности. Например, при сварке проволокой типа 18-10 диаметром 1 мм струйный процесс устанавливается при силе тока порядка 190 А, а для проволоки диаметрами 1,6 и 2 мм— при силе тока не менее 240 и 320 А соответственно.
Таблица 10-27
Режимы механизированной сварки вольфрамовым электродом в аргоне (расход 3,4 л/мин)
Материал
Тип шва
S S
к S
о 5 Н S
О О
s 5 -0.0.2 ЦЕ С 2
<
S
Примечание
Сталь
Стыковой
1,0
1,5
75
44
Сварка по присадоч-
типа 18-8
ной проволоке
Угловой
1,0
—
62
30
Сварка без присадки
Бортовой
1,5
—
70
32
»»»
Сплав
Стыковой
1,5
1,5
100
50
Сварка по присадоч-
на никелевой
ной проволоке
основе ХН78Т
Угловой
1,0
—
€5
45
Сварка без присадки
(ЭИ435)
Бортовой
1,0
—
85
45
»»»
Известна разновидность аргоно-дуговой сварки плавящимся электродом, так называемой пульсирующей (периодически зажигаемой) дугой. При этом процессе дуга растягивается, сила тока падает и становится возможной сварка стали малой толщины (менее 0,5 мм).
При сварке высоколегированных сталей и сплавов, преимущественно аустенитных, применяют еще один вид сварки в аргоне — плазменно-дуговую.
Для сварки сталей и сплавов в инертных газах используют сварочные проволоки тех же составов, что и для сварки под флюсом (см. табл. 10-22 и 10-23).
Для сварки высоколегированных сталей и сплавов, легированных титаном и алюминием, рекомендуется аргон марки А, а в остальных случаях помимо марки А — также аргон марок Б и В.
Сварка в углекислом газе. При сварке высоколегированных сталей и сплавов плавящимся электродом в углекислом газе хром практически не окисляется. Переход титана из сварочной проволоки достигает 50% против 85% при сварке в аргоне и 65—70% при сварке под фторидными флюсами. Если проволока содержит до 0,10% С, возможно науглероживание шва на 0,02— 0,04%, что приводит к снижению его стойкости против межкристаллитной коррозии.
Если несколько повысить содержание в шве элементов-стабилизаторов (титана, ниобия) и элементов-ферритизаторов (кремния, алюминия, хрома), то, несмотря на науглероживание, может быть обеспечена требуемая коррозионная стойкость. На этом принципе создан ряд сварочных проволок для сварки высоколегированных аустенитных и хромистых сталей. Например, для сварки в углекислом газе сталей типа 18-10 (Х18Н10Т) применяется сварочная проволока Св-08Х20Н9С2БТЮ, для сталей типа 18-12 (Х18Н12Т) — проволока Св-08Х25Н13БТЮ, а для хромистых сталей типа 1Х17Н2— проволока 07Х18Н2Т (ЭП157). Эти проволоки имеют повышенное содержание хрома и дополнительно легированы кремнием, ниобием, титаном и алюминием.
Для примера в табл. 10-28 приведены ориентировочные режимы сварки в углекислом газе нержавеющей аустенитной стали аустенитной проволокой. Недостатком сварки в углекислом газе применительно к коррозионностойким сталям является довольно интенсивное разбрызгивание расплавленного металла (в среднем 10—12%) и образование очагов коррозии в месте приваривания брызг к металлу. Использование тонкой проволоки диаметром 1,0—1,5 мм и сварка на малых вылетах уменьшают разбрызгивание. Чтобы брызги не приваривались к металлу, рекомендуется его перед сваркой покрывать меловым раствором, замешанным на воде, или другим защитным слоем.
Недостатком сварки в углекислом газе является также образование на поверхности высоколегированного шва прочной
614
Режимы сварки в углекислом газе коррозионностойкой аустенитной проволокой
Толщина металла,
Диаметр провопоки,
Ав- А
в
«св- ы-'4
Вылет электрода, мм
Расход л/ мин
1,0
0,5
30—40
17
30—40
5
6
1,5
0,8
40—80
17—18
30—40
6
6—7
2,0
0.8—1,2
100—140
18-20
25—40
6—9
6—8
2,5
1,0—1,2
110—150
18—20
20—35
7—9
6—8
3,0
1,2
140—160
19—20,5
20—35
9—10
8—9
3,0
1,6
150—170
23—27
20—35
15
9—12
3,0
2,0
180—190
25—28
25—30
15-20
12—17
пленки окислов. Прочность сцепления этой пленки со швом тем больше, чем больше она содержит окислов хрома. В качестве одного из весьма эффективных средств борьбы с появлением окисной пленки при сварке в углекислом газе аустенитных сталей является подача в дугу небольшого количества фторидного сварочного флюса, например АНФ-5.
При сварке в углекислом газе на малых токах, так же как и при сварке в аргоне, удается выполнять швы, занимающие произвольное положение в пространстве. Это открывает большие перспективы для механизации сварочных работ на монтаже трубопроводов и других сооружений из коррозионностойких и жаропрочных сталей.
Электрошлаковая сварка. Применительно к высоколегированным сталям и сплавам особо ценные технологические свойства электрошлакового процесса — это возможность сварки без разделки кромок, повышение стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин и сравнительно небольшие коробления при сварке стыковых швов. Недостаток электрошла- ковой сварки состоит в чрезмерном перегреве металла в около- шовной зоне. В ряде случаев это отрицательно сказывается на свойствах сварных соединений. Так, сварные соединения из коррозионностойких сталей по этой причине необходимо обязательно подвергать термообработке, в противном случае возможно возникновение ножевой коррозии.
Сварку коротких швов рекомендуется выполнять пластинчатым электродом, сварку длинных — проволокой. Рациональность применения пластины связана со сложностью изготовления калиброванной сварочной проволоки из высоколегированных сталей и сплавов, многие из которых отличаются плохой деформируемостью. Получение пластины требуемого химического состава не представляет особых трудностей (табл. 10-29 и 10-30).
Для электрошлаковой сварки высоколегированных сталей и сплавов используют в основном фторидные флюсы систем CaF3—■
Режим электрошлаковой сварки аустенитной стали проволочным электродом *
ПараметрПараметрСила постоянного тока обратной полярности (наСила постоянного тока обратной полярности (наодном электроде), А . . . 400—420Число электродов.. .2Напряжение сварки,В30—35Диаметр электродов,мм3Глубина шлаковой ванны, мм 40—50одном электроде), А . . . 400—420Число электродов.. .2Напряжение сварки,В30—35Диаметр электродов,мм3Глубина шлаковой ванны, мм 40—50Сухой вылет электрода, мм 40—45 Расстояние между электроСухой вылет электрода, мм 40—45 Расстояние между электродами, мм 35—40Приближениеэлектродак ползунам, мм • . . . .7—10Длительностьвыдержкиэлектрода у ползунов, с 3—4Скорость поперечных колебаний, м/ч 40дами, мм 35—40Приближениеэлектродак ползунам, мм • . . . .7—10Длительностьвыдержкиэлектрода у ползунов, с 3—4Скорость поперечных колебаний, м/ч 40Параметр
Параметр
Параметр
Сила постоянного тока обратной полярности (на
Сила постоянного тока обратной полярности (на
одном электроде), А . . . 400—420
Число электродов.. .2
Напряжение сварки,В30—35
Диаметр электродов,мм3
Глубина шлаковой ванны, мм 40—50
одном электроде), А . . . 400—420
Число электродов.. .2
Напряжение сварки,В30—35
Диаметр электродов,мм3
Глубина шлаковой ванны, мм 40—50
Сухой вылет электрода, мм 40—45 Расстояние между электро
Сухой вылет электрода, мм 40—45 Расстояние между электро
дами, мм 35—40
Приближениеэлектрода
к ползунам, мм • . . . .7—10
Длительностьвыдержки
электрода у ползунов, с 3—4
Скорость поперечных колебаний, м/ч 40
дами, мм 35—40
Приближениеэлектрода
к ползунам, мм • . . . .7—10
Длительностьвыдержки
электрода у ползунов, с 3—4
Скорость поперечных колебаний, м/ч 40
* Сталь Х18Н10Т толщиной 100 мм, флюс АНФ-8 (система Сар2—СаО — А1203).
СаО—А12Оа, CaF2—СаО, CaF2—А13Оа, CaF2—СаО—А12Оа—• MgO—SiO2, а также чистый CaF2 без добавок. Применение для электрошлаковой сварки даже фторидных безокислительных флюсов не всегда гарантирует хорошее усвоение сварочной ванной элементов, обладающих большим сродством к кислороду. Поэтому в ряде случаев приходится защищать шлаковую ванну инертным газом (аргоном).
Электроннолучевая сварка. Важной технологической особенностью этого способа сварки является возможность получения швов с очень малым коэффициентом формы (кинжальный провар), и минимальным термическим воздействием сварочного нагрева на основной металл в околошовной зоне. Сварные соединения отличаются повышенной стойкостью против коррозии и высокими прочностными свойствами.
Электроннолучевая сварка в последние годы нашла широкой применение при изготовлении узлов из жаропрочных сталей и сплавов. При сварке этим способом малопластичных сложнолегированных сталей и сплавов возможно образование поперечных по высоте шва трещин.
Таблица 10-30
Режимы электрошлаковой сварки аустенитных сталей и сплавов пластинчатым электродом
Металл
Свариваемое сечение,
Сечение электрода, мм2
Марка флюса
Ав.
А
^св- В
Ширина зазора между кромками,
Х18Н10Т . . . ХН78Т (ЭИ435)
50X50 125Х 125
6X50
ЮХ 125
АНФ-1П
АНФ-1П
900
1800
24—26
23—24
25 j
30^
§ 10-11. Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов различных групп
Сварка хромистых сталей связана с некоторыми специфическими особенностями. Находят применение хромистые стали следующих типов: 1) 5—8%-ные мартенситные (Х5М, 1Х8ВФ и др.) и 5—8%-ные мартенситно-ферритные (Х6СЮ и др.) жаропрочные и коррозионностойкие; 2) 8—10%-ные силь- хромы мартенситного класса (4Х10С2М, 4Х9С2 и др.); 3) 11— 12%-ные мартенситные (1Х12Н2ВМФ и др.) и мартенситно-ферритные (1Х11МФ, 1Х12В2МФ и др.) жаропрочные; 4) 13-, 17-, 25- и 28%-ные мартенситные (2X13, 1Х17Н2 и др.), мартенситно- ферритные (1X13 и др.) и ферритные (0X13, Х17, 0Х17Т, Х25Т, Х28 и др.) жаропрочные, коррозионностойкие и жаростойкие.
Хромистые стали сваривают по двум технологическим вариантам: с применением присадочных материалов такого же или сходного с основным металлом химического состава; с использованием присадочных материалов аустенитного или аустенитно- ферритного классов. В первом случае сварное соединение отличается структурной однородностью и высокой прочностью после соответствующей термообработки. Во втором случае соединение отличается структурной неоднородностью, усугубляемой диффузионными процессами, происходящими при эксплуатации изделий в области повышенных температур. При этом равнопрочность сварных соединений, как правило, не достигается.
Все хромистые стали сваривают с подогревом. Однако в отдельных случаях можно отказаться от подогрева. Так, низкоуглеродистые ферритные и даже мартенситные стали толщиной до 8—10 мм удается сваривать без подогрева. Иногда можно обойтись без подогрева при использовании аустенитных и аустенитно- ферритных электродов. Не требуется также подогрев при электро- шлаковой сварке. Чем больше толщина свариваемой стали и чем выше степень ее легирования, особенно углеродом, тем выше должна быть температура подогрева. Низкоуглеродистые хромистые ферритные стали толщиной более 10 мм желательно сваривать с подогревом до температуры 150—180° С, жаропрочные 11—12%-ные мартенситные—с подогревом не ниже, чем до температуры 250—300° С.
Если сварку производят электродами или проволокой с образованием в шве мартенситной или мартенситно-ферритной структуры, изделие во избежание образования в шве и околошовной зоне холодных трещин незамедлительно после сварки следует подвергать высокому отпуску при температуре 750—800° С (для хромистых 5%-ных сталей при 840—860° С).
При сварке ферритными швами, когда появление мартенсита в металле шва исключено, и при использовании аустенитных электродов отпуск с целью повышения пластичности сварного 617
соединения можно производить не сразу после сварки. По этим причинам сварка аустенитными электродами нашла широкое применение, особенно в монтажных условиях.
Оптимальные механические свойства жаропрочных 5—6- и 11—13%-ный хромистых сталей и их сварные соединения получают только после двойной термообработки: закалки или нормализации с последующим отпуском. Длительный нагрев хромистых сталей и сварных швов с содержанием более 15% Сг в интервале температур 400—550° С сообщает им так называаемую 475-градусную отпускную хрупкость, а в интервале температур 650— 800° С в них образуется о-фаза.
При сварке ферритных хромистых сталей (Х17, Х25Т, Х28 и др.) в результате нагрева металла до высоких температур наблюдается интенсивный рост зерна в околошовной зоне, сопровождающийся потерей пластичности металла.
Хромистые ферритные стали, подобно хромоникелевым аустенитным, подвержены межкристаллитной коррозии в околошовной зоне. Отпуск при температуре 730—780° С возвращает стали стойкость против межкристаллитной коррозии. Одновременно повышается пластичность металла в околошовной зоне, вызванная его перегревом при сварке.
Для предупреждения склонности хромистых сталей к межкристаллитной коррозии их легируют титаном и снижают в них содержание углерода (0Х17Т, 0Х17М2Т).
Сварка хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов. Хромоникелевые аустенитные стали сваривают в основном двухфазными аустепитно-ферритными швами, аустенитные сплавы и некоторые аустенитные жаропрочные стали типа 14-14, 15-25 и коррозионностойкие стали типа 23-28 — аустенитными швами.
Аустенитные стали и сплавы сваривают в гомогенизированном (отожженном) состоянии, жаропрочные стали и сплавы — иногда и в упрочненном (состаренном) состоянии.
Для предупреждения образования холодных трещин в этом случае прибегают к некоторым технологическим приемам: подогреву, применению более пластичного, чем основной металл, шва и др.
Сварка аустенитно-мартенситных сталей. Стали этого типа обладают двухфазным строением и свариваются, как правило, двухфазными аустенитно-ферритными швами. Поэтому появления кристаллизационных трещин при сварке таких сталей можно не опасаться. Главная трудность заключается в сохранении в металле шва алюминия, титана и бора, требующихся для его дисперсионного упрочнения. Если упрочнение достигается за счет молибдена или ниобия, свдрка указанных сталей заметно упрощается.
Стали этого класса также рекомендуется сваривать в гомогенизированном состоянии. Для получения оптимальных свойств соединения после сварки подвергают многоступенчатой термо-
Рис. 10-36. Последовательность (1—5) сварки двухслойной стали с разделительным слоем:
а — подготовка кромок под сварку;
б — сварка основного металла;
в — сварка облицовочного металла
обработке — закалке и старению при положительных и отрицательных температурах.
Сварка аустенитно-ферритных сталей. Аустенитно-ферритные стали, содержащие менее 8% Ni (0Х21Н6М2Т и др.), и стали типа 13-13 (0Х20Н14С2) и другие при расплавлении образуют двухфазный аустенитно-ферритный металл. Поэтому при их сварке кристаллизационные трещины не образуются ни в шве, ни в околошовной зоне. При сварке отливок крупного сечения и толстого катаного металла иногда требуется подогрев до температуры 100—150° С во избежание трещин, обусловленных пониженной пластичностью стали.
Сварка двухслойных сталей. Двухслойные стали широко применяются в качестве коррозионностойких в химическом и нефтехимическом производстве. Для облицовочного слоя двухслойных сталей применяют аустенитные стали Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х17Н13М2Т, Х23Н28МЗДЗТ и другие и хромистые типа 0X13. Основной слой изготовляют из обычных углеродистых сталей
Таблица 10-31
Сварочная проволока, применяемая для сварки двухслойных сталей с высоколегированным коррозионностойким облицовочным слоем из сталей типа 18-8, 18-10, 18-12 (Х18Н10Т, 0Х18Н10Т, Х18Н12Т, 0Х18Н12Т, 0Х18Н12Б и т. п )
Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)
Марка флюса
n8g
о 5
° ^ я
о g S
® 0.0 с
Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)
Марка флюса
S 2 §
О СП ?
5 = 2 ® 0.0
Св-07Х25Н13
АН-26,
АНФ-14, 48-ОФ-10
2
Св-06Х25Ш2ТЮ
48-ОФ-6, АНФ-14
2
Св-08Х25Н13БТЮ
АН-26, 48-ОФ-10, 48-ОФ-6, АНФ-14
1—2
Св-07Х25Н12Г2Т
АН-26, 48-ОФ-10
2
Таблица 10-32
Электроды для сварки высоколегированного слоя двухслойного металла
Электрод
Наплавленный металл
Марка высоколегированного слоя
Марка
Тип по ГОСТ 10052—62
Тип
Структура
ЗИО-7
ЭА-2Б
08Х24Н13Б
Аустенитно- ферритная; До 2,5% о-фазы
Типа 18-10, когда к металлу шва предъявляются требования стойкости против межкристаллитной коррозии
СЛ-25
ЭА-2
09Х25Н12Т 09Х25Н12ТЮ
Аустенитно- ферритная; 4,0—5,0% о-фазы
Х18Н10Т, 0X13, когда к металлу шва не предъявляются требования стойкости против межкристаллитной коррозии. Сварка неаустенитных сталей с аустенитной Х18Н10Т, а также хромистой 0X13
ЗИО-8
ЭА-2
07Х24Н12
Аустенитно- ферритная; 2,5—5,0% о-фазы
Типа 18-10, когда к металлу шва не предъявляются требования стойкости против межкристаллитной коррозии Сварка несиловых конструкций из стали 0X13 без последующей термообработки, а также сварка стали Х18Н10Т с низкоуглеродистыми неаустенитными сталями
ЦЛ-9
ЭА-2Б
12Х21Н11Б
Аустенитно- ферритная; более 2,5% о-фазы
Х18Н10Т, 0X13 и им подобные, работающие в агрессивных средах, когда к металлу шва предъявляются требования стойкости против межкристаллитной коррозии. Используются для сварки стали Х25Т и ей подобных
Режимы сварки сдвоенной проволокой коррозионностойкого слоя (толщиной 3—5 мм) двухслойного металла (подготовка кромок по рис. 10-36)
Диаметр одной проволоки, мм
Расстояние между электродными проволоками в свету, мм
Вылет электрода, мм
'св’ А
г/д. в
Уп м/ч
3
9—10
35—38
450-600
38—40
70—95
4
10—11
40—45
480—600
38—40
35—55
Примечание. Скорость сварки 16—18 м/ч.
типа ВСтЗ, а также из качественных, например 10, 15ХМ и др. Облицовочный высоколегированный слой обычно расположен внутри корпусной аппаратуры или трубы.
Сварку двухслойных сталей производят раздельно. Основной слой сваривают по обычной для данной конструкционной стали технологии, а коррозионностойкий слой — в один или несколько проходов в зависимости от его толщины (рис. 10-36, табл. 10-31 и 10-32).
Чтобы обеспечить минимальное разбавление аустенитного и неаустенитного металлов при переходе от основного слоя к облицовочному и наоборот, сварку производят с принятием мер, обеспечивающих наименьшее проплавление нижележащего слоя. К таким мерам относятся, например, сварка сдвоенным (табл. 10-33) или ленточным электродом, сварка на спуск, применение пемзовидного флюса, сварка постоянным током прямой полярности и др.
При сварке толстого биметалла с целью предотвращения образования в переходной зоне металла с пониженной пластичностью (например с мартенситной структурой) практикуется наплавка разделительного слоя (рис. 10-37 и 10-38) проволокой из низкоуглеродистого армко-железа или Св-08 в сочетании с сильно окислительным флюсом, аустенитной проволокой Св-10Х16Н25АМ6 или электродами типа ЭА-ЗМ6.
7 2 3
Рис. 10-37.
Шов на двухслойной стали с разделительным слоем:
/ — разделительный слой;
— слой со стороны основного металла;
— слой со стороны облицовочного металла
Рис. 10-38.
Наплавка разделительною слоя при разделке кромок:
а — со стороны основного металла, б — ^стороны облицовочного слоя
Аппаратуру из двухслойных сталей обычно термически не обрабатывают. В случае необходимости термообработку выполняют с учетом обеспечения требуемой коррозионной стойкости облицовочного слоя.
§ 10-12. Сварка разнородных сталей
Высоколегированные стали содержат дорогие, дефицитные элементы, что обусловливает необходимость их экономии.
Одним из путей экономии высоколегированных сталей является изготовление установок, машин и механизмов комбинированными. Такое изготовление вполне возможно, так как во многих случаях в условиях, требующих специальных сталей, работает не вся конструкция, а лишь отдельные ее узлы или детали. Остальная часть конструкции находится в обычных условиях и может быть изготовлена из среднелегированной, низколегированной или даже обычной углеродистой стали.
, В комбинированной конструкции необходимо соединять между собой отдельные ее части. Для работы в агрессивной среде или в условиях высокой температуры это соединение целесообразно выполнять при помощи сварки. Однако при этом необходимо сваривать между собой стали, существенно отличающиеся друг от друга своими физико-химическими свойствами, в связи с чем довольно трудно получить качественное и надежно работающее в особых условиях сварное соединение.
Сварка высоколегированных сталей со средне- или низколегированными и обычными углеродистыми явилась настолько трудной задачей, что составила самостоятельную проблему, известную как проблема сварки разнородных сталей.
Первая трудность сварки разнородных сталей заключается в том, что в процессе изготовления сварного соединения или при его эксплуатации в шве часто образуются трещины, которые проходят по его середине или у границы сплавления (рис. 10-39).
Вторая и основная трудность сварки разнородных сталей обусловлена тем, что в зоне их сплавления может происходить изменение структуры с образованием прослоек, существенно отличающихся от структуры сплавляемых металлов (рис. 10-40, б). Термин «сплавляемые металлы» здесь и далее применен для упрощения выражения «основной металл и металл шва». Изменение структуры сплавляемых металлов может быть настолько сильным, что существенно снизятся их прочностные и пластические характеристики (рис. 10-40, а\ В результате возможно преждевременное (аварийное) разрушение весьма ответственной конструкции.
Указанное изменение структуры в зоне сплавления разнородных сталей принято считать образованием в ней структурной
622
Рис. 10-39. Вид трещины, расположенной по середине шва (а) и у зоны сплавления (б и в):
а — соединение аустенитной стали с низкоуглеродистой сталью СтЗ (большой провар иеаустенитной стали);
б — соединение перлитной стали Х5М аустенитным швом типа 18-8 (малый запас аустеиитности),
в — микроструктура места разрушения сварного соединения, показан ного на рис. б
неоднородности. Сварные соединения разнородных сталей, в которых структура сплавляемых металлов не изменяется до границы сплавления, являются вполне технологичными и могут надежно работать во всех тех условиях, для которых они предназначены. Для отличия этих соединений от тех, в которых наблюдается указанное выше изменение структуры, зону сплавления в них следует считать структурно однородной, хотя соединенные металлы обладают разной структурой.
Образование структурной неоднородности возможно не только в соединениях собственно разнородных сталей, но и в биметалле, соединениях неаустенитных сталей с аустенитным швом, а также в зоне сплавления различного рода высоколегированных наплавок на средне- или низколегированную сталь. Поэтому конструкции из катаного и наплавленного биметалла и из неаустенитных сталей с аустенитным швом также следует относить в конструкциям из разнородных сталей.
Сварка разнородных сталей затруднена еще и тем, что они в подавляющем большинстве случаев отличаются друг от друга величиной коэффициентов линейного расширения. В силу этого сварные соединения таких сталей остаются напряженными даже
623
Рис. 10-40. Структурная неоднородность металла зоны сплавления разнородных сталей и распределение в ней твердости; X 100
после их термообработки. Более того, в сварных соединениях разнородных сталей, подвергнутых термообработке или эксплуатируемых в условиях высоких температур, из-за существенного различия коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов в зоне сплавления создается резкое изменение (скачок) напряжений, нередко даже с переменой знака. Это усугубляет напряженное состояние зоны сплавления — этого наиболее слабого участка сварных соединений. Поэтому сварные соединения разнородных сталей нецелесообразно подвергать термообработке даже в случаях, когда она желательна по другим соображениям.
Отмеченные трудности обусловили особенности сварки разнородных сталей, заключающиеся в том, что для получения качественных и надежно работающих в специфических условиях сварных соединений необходимо применять технологию сварки, которая предотвращает образование трещин в металле шва, исключает изменение в зоне сплавления химического состава и структуры сплавляемых металлов, приводящее к образованию указанной выше структурной неоднородности, и обеспечивает получение сварных соединений с возможно более близкими коэффициентами линейного расширения сплавляемых металлов.
Возникновение трещин в швах сварных соединений разнородных сталей обусловлено появлением в них мартенситной структуры, снижающей пластичность металла. Швы с мартенситной структурой образуются, прежде всего, при чрезмерном разбавлении высоколегированного металла менее легированным, что имеет место в случае большого проплавления свариваемого металла. Непластичные структуры могут образовываться также вследствие того, что в зоне сплавления металлов, сильно отличающихся друг от друга по химическому составу, неизбежно возникновение переходного слоя. В последнем концентрация элементов постепенно изменяется от содержания их в одном из сплавляемых металлов до их содержания в другом. Увеличение этого слоя до определенной ширины и приводит к появлению трещин, наблюдаемых у границы сплавления.
Уже накоплено немало сведений о природе и механизме образования в металле шва указанных трещин. Поэтому предотвращение их возникновения не вызывает особых затруднений. Значительно труднее получить сварные соединения разнородных сталей, стойкие против образований в зоне сплавления структурной неоднородности.
Наблюдаемая в зоне сплавления разнородных сталей структурная неоднородность состоит из обезуглероженной прослойки со стороны менее легированной стали и науглероженной прослойки со стороны более легированной стали. Эти прослойки образуются вследствие перемещения углерода из первой во вторую (рис. 10-41).
Появление структурной неоднородности и степень ее развития определяются всеми факторами, способствующими перемещению углерода из менее легированного металла в более легированный. Решающие из них: последующий нагрев сварного соединения до температур, вызывающих заметную миграцию углерода; время выдержки сварного соединения при этих температурах и химический состав сплавляемых металлов, в особенности содержание в них углерода и карбидообразующих элементов.
В состоянии после сварки, особенно в соединении с однослойным швом, если даже он выполнен на довольно мощном режиме, в зоне сплавления не обнаруживается перераспределения углерода, характерного для структурной неоднородности
40 Заказ № 782 625
Рис. 10-41. Обезуглероженная прослойка низкоуглеродистой стали ВСтЗ в зоне сплавления с аустенитной сталью Х25Н13 (после выдержки в течение 300 ч при температуре 600° С); Х600
(рис. 10-42, а, б). В таких соединениях структурная неоднородность не обнаруживается и тогда, когда менее легированной сталью в них является обычная углеродистая сталь СтЗ, которая совершенно не содержит элементов, связывающих углерод в прочные карбиды (рис. 10-40, 10-41, 10-42, в, г).
Структурная неоднородность в зоне сплавления разнородных сталей возникает лишь при нагреве сварного соединения до температуры 350° С (рис. 10-43, а). Однако существенное развитие она получает при более высоких температурах (около 500° С). Наиболее интенсивно развивается эта неоднородность при температуре 600—800° С. До температуры 350° С характерной структурной неоднородности не наблюдается даже в случае применения в качестве менее легированного металла обычной низкоуглеродистой стали ВСтЗ.
Увеличение продолжительности выдержки также усиливает степень структурной неоднородности (рис. 10-43, б), однако не столь интенсивно, как повышение температуры. Более того, после длительной выдержки с дальнейшим увеличением ее длительности интенсивность развития структурной неоднородности снижается. Особенно сильно она снижается при температурах ниже 600° С. Вместе с тем при нагреве до температур выше 600° С структурная неоднородность получает заметное развитие даже при выдержках, исчисляемых минутами. Из изложенного следует, что термообработка сварных соединений разнородных сталей нежелательна также из-за возможного при этом образования в зоне сплавления характерной структурной неоднородности.
Если в высоколегированном металле отсутствуют сильные карбидообразующие элементы, структурная неоднородность не образуется даже в зоне сплавления его с обычной углеродистой сталью. Наличие же карбидообразующих элементов вызывает появление этой неоднородности и в том случае, если менее леги- 626
рованный металл является технически чистым железом. Образуется она также тогда, когда высоколегированный металл содержит значительно (в 5—10 раз) больше углерода, чем менее легированный. Последнее объясняется тем, что перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей вызывается различием не общего содержания углерода в наплавленном металле, а различием его термодинамических активностей, определяемых количеством этого элемента в твердом растворе.
Влияние карбидообразующих элементов на образование структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей зависит от типа элемента и его содержания (рис. 10-44), причем влияние типа элемента сказывается сильнее, чем его количества. Интенсивность влияния карбидообразующего элемента усиливается с возрастанием его сродства к углероду и располагается
40* 627
Рис. 10-43. Влияние температуры нагрева (а) и времени выдержки при ней (б) на образование и степень развития структурной неоднородности (обезуглероженного слоя) в зоне сплавления аустенитной стали Х25Н13 с низкоуглеродистой сталью ВСтЗ
в следующей последовательности: Fe, Мп, Cr, W, V, Nb, Ti. Однако такая последовательность имеет место лишь при выражении концентрации карбидообразующего элемента в атомных процентах, а не процентах по массе (рис. 10-45, б). Поэтому принято считать, что перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей определяется не общим содержанием карбидообразующих элементов, а свободным (не связанным с углеродом) их количеством.
Изменение количества карбидообразующего элемента сказывается неравномерно на развитии структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей. После некоторого предела, различного для каждого из карбидообразующих элементов, сте-
Рис. 10-44. Влияние типа и количества карбидообразующих элементов в аустенитной стали на ширину (х) обезуглероженной прослойки низкоуглеродистой стали ВСтЗ в зоне сплавления:
а — координаты х — С, С — в % по массе; выдержка 300 ч при 600* С; б — координаты х — Ме/С, С — в ат.%; выдержка 100 ч при 700* G
628
Рис. 10-45. Влияние содержания хрома в более легированном (а) и менее легированном металле (б) на ширину обезуглероженной прослойки в зоне сплавления аустенитной стали с неаустенитной после выдержки при температуре 595° С (экстраполяция на выдержку 10s ч)
пень влияния элемента сильно уменьшается, причем для большинства из них это эффективное количество сравнительно невелико, например для хрома оно близко к 6% (рис. 10-45, а). Поэтому при необходимости вполне возможно повышать содержание карбидообразующего элемента в высоколегированном металле за пределы его эффективной концентрации без опасения заметного усиления структурной неоднородности в зоне сплавления.
Отмеченная закономерность влияния количества карбидообразующих элементов сохраняется и в случае их введения в менее легированную сталь (рис. 10-45, б). В связи с этим предотвратить образование структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей можно путем увеличения в менее легированном металле количества карбидообразующих элементов до такой степени, при которой еще сохраняются приемлемыми его свойства.
Развитию структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей способствуют также напряжения, вызываемые различием коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов.
Из изложенного можно сделать вывод, что разнородные стали необходимо сваривать с минимальным их проваром. Во многих случаях даже при минимальном проваре для обеспечения допустимого разбавления наплавленного металла необходимо применять соответствующие сварочные материалы. Например, неаустенитные стали с аустенитными не следует сваривать электродами типа ЭА-1, так как они обеспечивают получение наплавленного металла, содержащего 18% Сг и лишь 8% Ni, в связи с чем он обладает весьма малым запасом аустенитности. В данном случае целесообразно применять электроды, обеспечивающие металл шва с более высоким запасом аустенитности.
Для предотвращения трещин, возникающих в металле шва у линии сплавления, разнородные стали необходимо сваривать
629
так, чтобы ширина переходного слоя была минимальной. Это достигается снижением силы сварочного тока и напряжения дуги, а также увеличением скорости сварки. Повышение степени легирования металла шва также уменьшает ширину прослойки малопластичных структур в переходном слое.
Что касается предупреждения образования структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей, то общим в решении этой задачи является выполнение сварки с применением мер, снижающих разницу термодинамической активности углерода в сплавляемых металлах. Одним из вариантов практического решения указанной задачи может быть применение в качестве менее легированного металла такой низко- или среднелегированной стали, которая содержит достаточное количество энергичных карбидообразующих элементов. В такой стали углерод будет связан в стойкие карбиды, и, следовательно, существенно уменьшится вероятность перемещения его в более легированную сталь.
Если в изготовляемой конструкции менее легированной является сталь, в которой карбидообразующие элементы недостаточно связывают углерод, сваривать ее с высоколегированной сталью можно через вставку из стабилизированной стали, т. е. стали, содержащей более сильные карбидообразующие элементы или большее их количество.
Однако практически осуществить указанные рекомендации не всегда возможно, так как выбор низко- или среднелегированных сталей, содержащих требуемые карбидообразующие элементы, весьма ограничен. Более приемлемой в этом отношении может быть предварительная облицовка свариваемых кромок используемой низко- или среднелегированной стали слоем металла, содержащего нужные карбидообразующие элементы. Однако и это нельзя признать способом, полностью решающим проблему сварки разнородных сталей. Обусловлено это тем, что во многих случаях для предупреждения миграции углерода металл облицовочного слоя получается такого состава, при котором в нем неизбежно образуются трещины либо в процессе выполнения облицовки, либо при последующей сварке.
В связи с изложенным основным путем решения вопроса сварки разнородных сталей следует признать применение сварочных материалов, способствующих получению аустенитного металла шва с высоким содержанием никеля, который, как показала практика, обеспечивает вполне стабильную зону сплавления. Преимущество высоконикелевого металла состоит также в близости его коэффициента линейного расширения к этому коэффициенту низко- и среднелегированных сталей. В связи с тем, что никель является дефицитным и довольно дорогим элементом, а также элементом, способствующим образованию горячих трещин в сварных швах, в металле последних целесообразно иметь лишь то количество никеля, которое необходимо для предупреж-
Рис. 10-46. Зависимость содержания никеля в высоколегированном металле, необходимого для предотвращения структурной неоднородности в зоне сплавления с перлитными сталями:
а — от температуры нагрева (перлитная сталь СтЗ);
б — от допустимой для данной перлитной стали температуры эксплуатации
дения образования структурной неоднородности в зоне сплавления с менее легированной сталью.
Необходимая концентрация никеля в металле шва существенно зависит от температуры нагрева сварного соединения (рис 10-46, а). Следовательно, эта концентрация зависит от класса используемой в данном сварном соединении менее легированной стали, который и определяет допустимую температуру его эксплуатации (рис. 10-46, б). Это обстоятельство позволяет дифференцировать содержание никеля в металле шва и тем самым более экономно его расходовать.
Исходя из изложенного, сварные соединения разнородных сталей предложено разделить на четыре группы: 1) соединения, работающие при температурах до 350° С (содержат в качестве менее легированной стали обыкновенную низкоуглеродистую сталь, допустимая температура эксплуатации которой не превышает 350° С); 2) соединения, работающие при температурах 350—450° С (с качественными углеродистыми и обычными низколегированными сталями); 3) соединения, работающие при температурах 450—550° С (с низко- или среднелегированными хромомолибденовыми сталями); 4) соединения, работающие при температурах выше 550° С (с низко- или среднелегированными хро- момолибденованадиевыми сталями).
Как видно из рис. 10-46, содержание никеля в металле шва, необходимое для предотвращения структурной неоднородности в зоне сплавления его с менее легированной сталью, в каждой из указанных групп существенно отличается. Для сварных соеди-
631
Таблица 10-34
Состав проволок, предназначенных для сварки разнородных сталей, %
Марка
Мо
S
р
проволоки
не более
ЭП622
23,5—26,5
2,5—4,0
0,015
0,02
ЭП673
38,5—41,5
6,5—8,0
0,015
0,02
ЭП606
58,5—61,5
9,0—11,0
0,01
0,015
П о и м е ч
а н и е Содержание в
проволоке
других элементов
1,2 —2,0% Мп,
23 5 — 26,5% Сг
не более 0,08% С, не
более 0,4%
S1
нений первой группы оно не превышает 10%. В соединениях второй группы никеля в металле шва должно быть около 19%, третьей—31% и четвертой—-47%. Столь сильное изменение требуемого содержания никеля в металле шва обусловливает целесообразность применения для каждой из указанных групп сварных соединений своих сварочных материалов (проволоки, электродов). Эти материалы должны отличаться прежде всего содержанием никеля.
Стандартные сварочные проволоки могут быть применены только для сварных соединений первой группы. Что касается соединений второй, третьей и четвертой групп, т е. соединений, работающих при температурах выше 350° С, то для них необходимы новые сварочные материалы. В качестве одного из вариантов их могут быть использованы разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона проволоки ЭП622, ЭП673 и ЭП606 (табл. 10-34) Первая из этих проволок предназначена для сварки конструкций, эксплуатируемых при температурах 350—450° С, вторая •— 450— 550° С и третья — выше 550° С. Каждая из этих проволок может
Таблица 10-35
Рекомендуемая сила сварочного тока
для сварки электродами АНЖР-1, АНЖР-2, АНЖР-3, ЦТ-36 и ЦТ-28, А
Электрод
Положение шва в пространстве
Диаметр
Марка
нижнее
вертикальное
потолочное
АНЖР-1 и др
85—95
70—90
60—85
3
ЦТ-36
80—100
70—90
70—90
ЦТ 28
80—100
70—90
60—80
АНЖР 1 и др
110—130
100—120
90—110
4
ЦТ 36
110—140
100—125
100—125
ЦТ 28
110—140
100—120
90—120
5
АНЖР 1 и др
140—160
130—150
ЦТ 28
150—180
130—150
—•
rc. 10-47. Микроструктура металла зоны сплавления* X150*
а — сталь 45 проволока ЭП622, выдержка 514 0 ч при 450° С, б — сталь Х5М проволока ЭП673, выдержка 2000 ч при 550° С
в — сталь 12ХМФ, проволока ЭП606, выдержка 1990 ч при'580°С
быть использована и при изготовлении конструкций, работающих при более низких температурах, однако это не экономично.
При сварке разнородных сталей указанными проволоками под флюсами АН-26 или АН-15 получается металл шва, стойкий против образования кристаллизационных трещин, несмотря на чисто аустенитную структуру и высокое содержание в нем никеля. Он также не склонен к сигматизации, сравнительно мало охрупчивается при старении и обладает требуемыми механическими свойствами как в обычных условиях, так и в условиях длительного воздействия высоких температур. Металл зоны сплавления в соединениях, выполненных этими проволоками, обладает вполне стабильной структурой (рис. 10-47) и свойствами, если они содержат менее легированную сталь и эксплуатируются при температуре, соответствующей той группе, для которой предназначена используемая проволока.
Ручную сварку разнородных сталей в соединениях первой группы также можно производить существующими электродами. Не следует лишь применять электроды типа ЭА-1. Для соединений второй, третьей и четвертой группы рекомендуются электроды АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3.
Для заварки дефектов в деталях энергетического оборудования, которое согласно указанной выше рекомендации можно отнести к сварным соединениям четвертой группы, ЦНИИТМАШ предлагает применять электроды ЦТ-36, а ЦКТИ им. И. И. Ползунова и Ленинградский металлический завод— электроды ЦТ-28 (табл. 10-35).
В остальном технология сварки разнородных сталей такая же, как и сварки других сталей.
ииТехнология сварки цветных металловТехнология сварки цветных металлов
и
и
Технология сварки цветных металлов
Технология сварки цветных металлов
Производство цветных металлов, и в особенности алюминия, неуклонно возрастает, опережая рост выпуска стали. С каждым годом увеличивается число металлов и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов для производства сварных изделий. Наряду с конструкциями из алюминия, меди, никеля, титана в сварном исполнении в настоящее время изготовляют изделия из циркония, серебра, платины, бериллия и других металлов, числящихся в категории редких или драгоценных. Недалеко то время, когда практически все используемые в технике цветные металлы найдут применение в сварочном производстве.
По своим физико-химическим свойствам многие цветные металлы резко отличаются от стали, что необходимо учитывать при выборе способа и технологии сварки. Наибольшее значение для оценки свариваемости того или иного металла имеют следующие свойства: сродство к газам воздуха, температуры плавления и кипения, теплопроводность, плотность, механические характеристики при высоких и низких температурах. По совокупности этих свойств рассматриваемые металлы можно условно разделить на такие группы: легкие (алюминий, магний, бериллий); активные и тугоплавкие (титан, цирконий, ванадий, вольфрам, молибден, ниобий); тяжелые цветные и драгоценные (медь, серебро, платина и др.).
Для сварки металлов первой и второй групп, отличающихся большой теплопроводностью либо высокой температурой плавления, предпочтительны источники нагрева с высокой концентрацией энергии (сварочная дуга, электронный луч). Поскольку эти металлы характеризуются также большим сродством к кислороду и азоту воздуха, нагретую в процессе сварки до высоких температур область металла
требуется изолировать от окружающей атмосферы, помещая ее в инертную среду или вакуум.
При сварке сплавов, содержащих значительные количества элементов с низкой температурой кипения, например цинка, вследствие интенсивного его испарения затруднено использование плавящегося электрода. В связи с разбрызгиванием жидких капель плавящийся электрод не применяется также при изготовлении изделий из драгоценных металлов, например платины. В том и другом случае обычно используют неплавящийся — вольфрамовый электрод.
Для сварки металлов третьей группы (кроме драгоценных), например меди и ее сплавов, находят применение почти все современные методы сварки плавлением. В большем объеме, чем для стальных изделий, для изделий из цветных металлов используют механизированные способы сварки, обеспечивающие получение изделий не только с точными размерами, но, что особенно важно, более высокого качества.
§ 11-1. Легкие металлы и их сплавы
Сварка алюминия и его сплавов. Применение алюминия в технике обусловлено его малой плотностью (2,7 г/см3), примерно в 3 раза меньшей, чем у стали, повышенной хладостойкостью, коррозионной стойкостью в окислительных средах и на воздухе. Чистый алюминий обладает малой прочностью (ов Ю кгс/мм2), поэтому из него изготовляют изделия, для которых требуется только высокая коррозионная стойкость.
Алюминий и его сплавы обладают низкой температурой плавления (температура плавления чистого алюминия 660° С), высокой тепло- и электропроводностью, повышенным по сравнению со сталью коэффициентом линейного расширения и более низким значением модуля упругости.
Алюминий и его сплавы делят на две основные группы: деформируемые, применяемые в прессованном, катаном и кованом состояниях, и литейные (недеформируемые), используемые в виде литья (табл. 11-1). Деформируемые сплавы, в свою очередь, делят на термически не упрочняемые, к которым относятся технический алюминий и сплавы его с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком и другими элементами. К литейным относятся сплавы со значительным содержанием кремния или меди.
Большинство сварных конструкций изготовляют из деформируемых термически не упрочняемых сплавов алюминия в ненагар- тованном виде. В последние годы для изготовления сварных конструкций все в большем объеме начинают применять термически упрочняемые сплавы. Затруднение при сварке этих сплавов вызывает снижение прочности металла в околошовной зоне. Ранее для получения конструкций на этих сплавов применяли
Таблица 11-1
Состав некоторых марок алюминия и его сплавов, применяемых для изготовления сварных конструкций, %
Стандарт
Сплав
А1
Си
Mg
Мп
Fe
Si
Zn
Ti
н
Система
Марка
не менее
не более или пределы
гост 11069—64
Деформируемые, термически не упрочняемые
А1
A95
АДО
99,95
99,50
0,01 0,02
0,05
0,025
0,030 0,30
0,030 0,30
0,005 0,1
0,002 0,1
0,05
ГОСТ 4784—65
А1—Мп
АМц АМцС
Основа »
0,2
0,1
0,05 0,05
1,0—1,6 1,0—1,4
0,7
0,25— 0,45
0,6
0,15— 0,35
0,1
0,1
0,2
0,1
0,1
0,1
Al—Mg
АМгЗ
АМг5
АМгб
Основа
»
»
0,1
0,1
0,1
3,2—3,8
4,8—5,8
5,8—6,8
0,3—0,6
0,5—0,8
0,5—0,8
0,5
0,4
0,4
0,5—0,8 0,5
0,4
0,2
0,2
0,2
0,02— 0,10 0,02— 0,10
0,1
0,1
0,2
Деформируемые, термически упрочняемые
Al-Mg—Si
АД31 АВ
Основа
»
0,1 0,1—0,5
0,4—0,9 0,45—
0,9
0,1 0,15— 0,35
0,5
0,5
0,3—0,7 0,5—1,2
0,2
0,2
0,15
0,15
0,1
0,1
Al— Zn—Mg Al—Cu—Mn
1915 *
Д20
Основа »
6,0—7,0
1,5
0,3 0,4—0,8
0,2
0,3
0,3
3,7
0,1
Zr 0,17
Zr 0,2
0,1
ГОСТ 2685—63
Литейные
Al—Si
АЛ2
Основа
0,8
0,1
0,5
10—13
0,3
—
2,3
* В сплаве содержится около 0,1% Сг.
Исключительно контактную точечную и стыковую сварку. В настоящее время научились применять также аргоно-дуговую и электронно-лучевую сварку.
Литейные сплавы находят ограниченное применение в сварных конструкциях. Сварку их выполняют преимущественно при исправлении дефектов литья и при соединении литейных деталей с узлами из деформируемых сплавов.
Постоянными примесями в техническом алюминии и его сплавах являются железо и кремний.
Особенности сварки алюминия и его сплавов. Плотная тугоплавкая окисная пленка, образующаяся на поверхности алюминия, препятствует сплавлению металла сварочной ванны с основным металлом и, оставаясь в шве, образует неметаллические включения. Удаление пленки в процессе сварки достигается действием тока при горении дуги или воздействием составляющих флюса или покрытия электрода на окись алюминия.
При сварке постоянным током обратной полярности очищающее действие тока имеет место на протяжении всего процесса горения дуги, а при сварке переменным током—в основном в те полупериоды, когда изделие является катодом. Способ удаления пленки действием тока используется при сварке в защитных газах. Наиболее вероятный механизм действия электрического тока состоит в том, что движущиеся с большой скоростью положительные ионы, попадая на поверхность металла, разрушают окисную пленку и в результате так называемого катодного распыления удаляют ее. При электроннолучевой сварке окисная пленка удаляется частично действием пучка электронов и вырывающегося из основания пятна нагрева потока жидкости, газов и паров металла.
Действием тока может быть разрушена сравнительно тонкая пленка окиси. Толстую пленку окиси алюминия необходимо перед сваркой удалять механическим или химическим путем.
Механизм действия составляющих флюсов и покрытий на окись алюминия сложен. Предполагается, что они, смачивая пленку, разрыхляют ее, смывают и уносят в шлак. Этому процессу способствует выделение газов, образующихся в результате взаимодействия флюса с жидким металлом. Во избежание коррозии сварных соединений остатки флюса и шлака по окончании процесса сварки удаляют.
Большое затруднение при сварке алюминия и его сплавов вызывает образование пор в металле шва. В отличие от стали поры в алюминии располагаются преимущественно внутри шва вблизи границы сплавления его с основным металлом и у поверхности шва. Принято считать, что основным возбудителем пор в алюминиевых швах является водород.
Борьба с пористостью при сварке алюминия — первостепенная задача, стоящая перед технологами. Для предупреждения пористости удаляют окисную (гидроокисную) пленку и жировые
загрязнения. Для удаления жира, покрывающего листы алюминия, их промывают горячей водой или органическими растворителями. Во избежание отравления фосгеном, образующимся в процессе сварки, нельзя применять хлорсодержащие органические вещества.
При ручной дуговой сварке толстолистового металла применяют предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 200—400° С. Подогрев облегчает удаление газовых пузырьков из сварочной ванны, а пленка окиси алюминия препятствует дальнейшему поступлению водорода в жидкий металл. При сварке толстолистовых алюминиевомагниевых сплавов допускается нагрев до температуры не свыше 100—150° С. При сварке подогретого металла получаются низкие механические свойства соединений. Азот практически не растворяется в алюминии, а дает переходящий в шлак нитрид алюминия и поэтому не вызывает появления пор.
Серьезные затруднения при сварке алюминия и его низколегированных сплавов создаются из-за возникновения кристаллизационных трещин. Образование трещин при сварке технически чистого алюминия и алюминиевомарганцевого сплава АМц зависит от содержания железа и кремния в металле шва. Увеличение содержания кремния до 0,6% приводит к снижению стойкости шва против образования кристаллизационных трещин. Увеличение содержания железа в пределах до 0,7% приводит к повышению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. При этом 0,1% Si уже достаточно для образования трещин, а 0,1 % Ее еще недостаточно для их предупреждения. Поэтому наименьшей стойкостью против образования кристаллизационных трещин обладают алюминий и сплав АМц, содержащие по 0,1 (0,05-^0,15)% железа и кремния. Такому составу соответствует алюминий марки А85 (ГОСТ 11069—64).
Среди алюминиевомагниевых сплавов наименьшей стойкостью против образования кристаллизационных трещин обладает сплав АМг2 (ГОСТ 4784—65). Действие магния в данном случае аналогично действию железа. Более стойки к образованию подобных трещин сплавы АМг5 и АМгб, содержащие 5—6% Mg. Подогрев и в особенности локальный нагрев до температуры 200—250°С в отличие от сварки стали не способствует предотвращению кристаллизационных трещин, так как приводит к существенному увеличению размеров кристаллитов и росту напряжений и деформаций.
Дополнительные затруднения при сварке легированных сплавов алюминия создаются из-за холодных трещин. При сварке так называемых самозакаливающихся (алюминий-цинк-магниевых) сплавов подобные трещины возникают спустя определенный промежуток времени после сварки. Такой вид трещин часто именуют задержанным разрушением. Для борьбы с задержанным разру- 639
Рис. 11-1. Макроструктура сварного соединения алюминия А7, полученного аргоно-дуговой сваркойРис. 11-1. Макроструктура сварного соединения алюминия А7, полученного аргоно-дуговой сваркойРис. 11-2. Микроструктура металла шва на алюминии А7; ХЗООРис. 11-2. Микроструктура металла шва на алюминии А7; ХЗОО
Рис. 11-1. Макроструктура сварного соединения алюминия А7, полученного аргоно-дуговой сваркой
Рис. 11-1. Макроструктура сварного соединения алюминия А7, полученного аргоно-дуговой сваркой
Рис. 11-2. Микроструктура металла шва на алюминии А7; ХЗОО
Рис. 11-2. Микроструктура металла шва на алюминии А7; ХЗОО
шением применяют нагрев сварных соединений до температуры 200—220°С (перестаривание).
При таком нагреве происходит заблаговременное частичное выделение и коагуляция части интерметаллидных фаз из твердого раствора, снижаются сварочные и структурные напряжения. Показатели механической прочности при этом снижаются незначительно. Вследствие высокого коэффициента линейного расширения алюминия при его сварке необходимо применять специальные меры для борьбы с деформациями (сварка в кондукторах, применение источников сосредоточенного нагрева и др ).
Структура и свойства сварного соединения. Металл шва сварного соединения алюминия, так же как и стали, имеет столбчатое строение (рис. 11-1). Однако поперечные размеры кристаллитов намного больше В околошовной зоне в процессе сварки происходит рекристаллизация металла преимущественно в направлении проката. Рекристаллизация сопровождается некоторым снижением твердости (рис. 11-2) Кроме основы-—твердого раствора
алюминия, содержатся отдельные интерметаллические соединения алюминия с железом и кремнием. При сварке алюминиево- магниевых сплавов обнаруживаются соединения алюминия с марганцем и магнием, а также фазы более сложного состава, содержащие примеси железа и кремния (рис. 11-3).
Макроструктура металла шва при сварке сплава АМц отличается более тонким строением. Еще более мелкое строение металла шва получается при сварке алюминиевомагниевых сплавов, а также сплавов, содержащих большое количество легирующих элементов, что связано с влиянием примесей (рис 11-4).
Металл шва при сварке алюминия по прочности близок к отожженному основному металлу (о = 6—8 кгс/мм2). Металл шва
при сварке сплава АМц по механическим свойствам приближается к основному металлу (ав = 12—14 кгс/мм3). Труднее получить равнопрочное соединение при сварке алюминиево-
Рис. 11-4. Макроструктура сварного соединения сплава АМгб, полученного электрошлаковой сваркойРис. 11-4. Макроструктура сварного соединения сплава АМгб, полученного электрошлаковой сваркой
Рис. 11-4. Макроструктура сварного соединения сплава АМгб, полученного электрошлаковой сваркой
Рис. 11-4. Макроструктура сварного соединения сплава АМгб, полученного электрошлаковой сваркой
Рис. 11-3. Микроструктура сварного соединения сплава АМгб, полученного автоматической аргоно-дуговой сваркой, X 300
магниевых сплавов. Трудности обычно возрастают с увеличением содержания магния. Снижение прочности для алюми- ниевомагниевых сплавов особенно проявляется при замедленном остывании кристаллизующегося металла, что связано с обеднением магнием твердого раствора. Для повышения прочности соединений применяют источники концентрированного сварочного нагрева (аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом, электроннолучевая сварка и др.).
Еще труднее обеспечить равнопрочное соединение при сварке термически упрочняемых сплавов без последующего полного термического цикла — закалки и старения. При сварке терми-
64164141 Зацуз № 782
641
641
чески упрочненного металла вследствие выпадения интерметал- лидов заметно разупрочняется околошовная зона, а коэффициент прочности сварного соединения не превышает 0,6—0,7 (исходя из величины nJ для исходного (до сварки) состояния основного металла.
По коррозионным свойствам в атмосферных условиях сварные соединения алюминия и его сплавов незначительно уступают основному металлу. Иначе ведут себя соединения алюминия в агрессивных средах. Близкое по коррозионной стойкости к основному металлу в азотной кислоте соединение получается на алюминии весьма высокой чистоты. С увеличением содержания примесей железа и кремния коррозионная стойкость металла шва падает в большей степени, чем у основного металла. Коррозионную стойкость загрязненного примесями металла шва удается повысить нагартовкой в горячем состоянии в результате отжига сварного соединения.
Сварка вручную угольным или графитовым электродами. Сварка алюминия угольным или графитовым электродами сохранилась только для неответственных изделий. Ее интенсивно вытесняют другие более эффективные способы. Сварку производят постоянным током прямой полярности. Удаление окисной пленки достигается применением флюса типа АФ-4а (см. ниже). Сварку металла толщиной до 2 мм ведут без присадочной проволоки и без разделки кромок. Стыковые соединения металла толщиной более 2 мм сваривают с обязательным зазором величиной 0,5—0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок. Зазор или разделку заполняют за счет плавления присадочной проволоки. Недостатки сварки угольным и графитовым электродами: тяжелые условия труда сварщика вследствие мощного излучения ярко горящей дуги, близко расположенной к рабочему, значительная деформация изделия и пр.
Сварка вручную покрытыми электродами. Ручная дуговая сварка также постепенно вытесняется более производительными способами. Она сохраняется еще для изделий из технически чистого алюминия, алюминиевомарганцевого сплава и алюминиево- магниевых сплавов, содержащих не более 5% Mg, а также при сварке узлов из силумина.
Ручную дуговую сварку выполняют при толщине листов от 4 мм и более. Металл толщиной 10 мм и выше предварительно подогревают. Температуру предварительного подогрева выбирают в зависимости от толщины металла в интервале 100—400° С. Сварку производят постоянным током (силой 60 А на 1 мм диаметра электрода) обратной полярности, как правило, без колебаний конца электрода. Электроды применяют диаметром 5—8 мм. Металл толщиной до 20 мм сваривают без разделки кромок. В отличие от сварки угольным электродом зазор в стыке не должен превышать 0,5—1 мм. Сварку выполняют, как правило, с двух сторон. Угловые швы имеют катеты не менее 6x6 мм,
что вызвано трудностями сварки электродами малого сечения вследствие высокой скорости их плавления.
При сварке технически чистого алюминия и сплава АМц обычно используют проволоку, близкую по составу к свариваемому металлу. Для получения коррозионностойких соединений алюминия в агрессивных средах, например в азотной кислоте, применяют проволоку, легированную цирконием, хромом или титаном.
Для сварки алюминиевомагниевых сплавов целесообразно применять проволоку с несколько большим содержанием магния, чем в основном металле, с целью компенсации улетучивания и угара магния и повышения прочности металла шва. Например, для сварки сплавов АМгЗ и АМг5 можно применять проволоку СвАМгб и СвАМгб.
Электроды для сварки алюминия, сплава АМц и силумина. Основу электродных покрытий для сварки алюминия, сплава АМц и силумина составляют галоидные соли щелочных и щелочноземельных металлов и криолит. Наибольшее распространение получили такие два типа покрытий. Покрытие I состоит из 65% флюса АФ-4а и 35% криолита (Na3AlF6). Состав флюса АФ-4а: 50% КО; 14% L1C1; 8% NaF и 28% NaCl. В чистом виде этот флюс используют для газовой сварки алюминиевых сплавов. Покрытие II состоит из 50% КО, 30% NaCl и 20% Na3Al6.
Наличие криолита в составе покрытия электродов способствует мелкокапельному переносу электродного металла и устойчивому горению дуги.
Покрытие замешивают на воде или на растворе поваренной соли. В качестве электродных стержней применяют проволоку, состав которой близок к составу свариваемого металла. Если к качеству металла шва не предъявляются повышенные требования по пластичности, то для электродных стержней может быть использована проволока, содержащая 5—10% Si (см. § 39).
Электроды для сварки алюминиевомагниевых сплавов, в особенности с относительно высоким содержанием магния типа АМгб, широкого применения не получили.
Автоматическая сварка по флюсу. При производстве сосудов из алюминия и алюминиевомарганцевого сплава АМц автоматическую сварку производят не под флюсом, а при наличии тонкого дозированного слоя флюса впереди дуги, который, не закрывая дугу, обеспечивает достаточно надежную защиту сварочной ванны и удаление окисной пленки. Поэтому данный способ получил название сварка по флюсу или сварка полуоткрытой дугой. Выделяющиеся газы и пары металла изолируют дуговой промежуток от проникновения воздуха.
Необходимость такой технологии обусловлена тем, что флюсы для сварки алюминия обладают высокой электропроводностью. В расплавленном состоянии они легко шунтируют дугу, что нарушает устойчивость ее горения. При тонком слое флюса это явление 41*643
исключается. При сварке алюминия под флюсом путем применения очень короткой дуги или менее электропроводных шлаков не удается обеспечить высокого качества формирования и физикохимических свойств металла шва.
Для сварки алюминия и его сплавов (не содержащих магния) применяют флюс АН-А1 (см. § 7-4) и электродные проволоки, химический состав которых приведен в § 7-1. Основные преимущества сварки по флюсу — большая производительность, незначительная деформация конструкции и высокая экономичность по сравнению с другими способами сварки алюминия. Основной недостаток — необходимость удаления шлака после сварки. Вследствие этого сваркой по флюсу выполняют преимущественно стыковые швы, где удаление шлака встречает меньше затруднений.
Автоматическую сварку по флюсу применяют для металла толщиной 10—35 мм. Возможна сварка одной и двумя проволоками, чаще — сдвоенной электродной проволокой, обеспечивающей более высокую стойкость металла шва против образования пор. Кроме прямых электродов используют также зигзагообразные. Односторонние швы во избежание вытекания сварочной ванны сваривают на временной стальной подкладке. Двусторонние швы при всех условиях сваривают на подкладке. Сварку ведут постоянным током обратной полярности без предварительного подогрева металла. Расход флюса составляет 15—20% по отношению к расходу проволоки. Полный провар кромок при сварке алюминия достигается при токе, примерно в 3 раза меньшем, чем при сварке стали, что связано в основном с меньшей плотностью алюминия.
Аппаратура для автоматической сварки алюминия по флюсу отличается от аналогичной аппаратуры, используемой при сварке стали, наличием водоохлаждаемого мундштука, дозатора флюса и некоторыми другими особенностями.
Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка алюминия длительное время не удавалась. Это было обусловлено низкой температурой кристаллизации алюминия, что вынуждает применять легкоплавкие, обычно весьма электропроводные шлаки. Выделение теплоты в сварочной ванне при этом ниже, чем при сварке стали. Применяемые при дуговой сварке флюсы, состоящие из смесей фтористых и хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, легко вскипают с образованием летучих соединений, что вынуждает сваривать при низких напряжениях процесса. В результате этого также снижается количество выделяющейся в шлаковой ванне теплоты. Все эти затруднения были в свое время преодолены и получена возможность сваривать металл принципиально любой толщины за один проход.
Практически электрошлаковым способом сваривают металл толщиной 50—200 мм. Скорость сварки независимо от толщины металла составляет 6—8 м/ч. Производительность по наплавлен-
644
ному металлу, например при сварке алюминия толщиной 100 мм, составляет не менее 50 кг/ч. Это в 10—20 раз превышает соответствующие показатели при дуговой сварке в несколько проходов.
При электрошлаковой сварке, несмотря на сравнительно большие размеры ванны и малую скорость кристаллизации, имеются благоприятные металлургические факторы, способствующие получению высококачественных сварных соединений, — направление кристаллизации снизу вверх, электрошлаковое рафинирование металла шва и др. Электрошлаковым способом сваривают массивные заготовки прямоугольного и криволинейного сечения, фасонные пресспрофили, пакеты тонких пластин и пр. (рис. 11-5).
Для электрошлаковой сварки алюминия и различных его сплавов разработаны флюсы АН-А301, АН-А302 и АН-А304, обеспечивающие качественную сварку изделий без тщательной подготовки поверхности соединяемых кромок. Расход флюса составляет ориентировочно 10% массы присадочного металла.
Сварку выполняют переменным током аппаратами А-550М и А-1304 с применением, соответственно, пластинчатых или комбинированных электродов. Последние представляют собой неподвижный плавящийся мундштук (пластину с отверстиями), по которому в сварочную зону подается несколько проволок или лента. Пластинчатыми электродами сваривают заготовки шинопроводов и другие изделия толщиной 50—150 мм при длине швов до 600 мм. Сварку плавящимся мундштуком применяют для соединения металла толщиной до 250 мм большой протяженности. При этом есть возможность получать криволинейные швы и швы на изделиях с возрастающей толщиной свариваемых кромок длиной до 1000 мм. В качестве источника сварочного тока используют трансформаторы ТШС-3000-1 и ТШС-10000-1.
Швы, полученные при электрошлаковой сварке, характеризуются плотной структурой и достаточно высокими механическими свойствами. Коэффициент прочности швов на алюминии равен 1, на сплаве АМц 0,9—0,95, на сплаве АМгб 0,8—0,9.
Электрошлаковую сварку целесообразно применять для соединения алюминия и его сплавов толщиной более 40—50 мм. Экономический эффект в среднем составляет более 50% затрат, идущих на многослойную дуговую сварку. С увеличением толщины свариваемых изцелий, как и при -сварке других металлов, технико-экономическая эффективность данного процесса возрастает.
Сварка в инертных газах. Алюминий и его сплавы сваривают неплавящимся вольфрамовым электродом или плавящимся электродом. Сварку вольфрамовым электродом в зависимости от конструкции соединения ведут с присадочной проволокой либо без нее. Состав электродной или присадочной проволоки близок к составу сваливаемого металла. В качестве защитного газа применяют аргон марок А и Б, смесь аргона и гелия и гелий повы-
Рис. 11-5. Соединения алюминия, полученные аргоно-дуговой (а), микроплаз- менной (б) и электрошлаковой (в) сваркойРис. 11-5. Соединения алюминия, полученные аргоно-дуговой (а), микроплаз- менной (б) и электрошлаковой (в) сваркой
Рис. 11-5. Соединения алюминия, полученные аргоно-дуговой (а), микроплаз- менной (б) и электрошлаковой (в) сваркой
Рис. 11-5. Соединения алюминия, полученные аргоно-дуговой (а), микроплаз- менной (б) и электрошлаковой (в) сваркой
шенной чистоты, содержащий не менее 99,8% основного газа. В Советском Союзе в большем объеме применяется аргон. Защита гелием или смесью его с аргоном используется при автоматической сварке.
Дуговая сварка неплавящимся электродом. Для сварки непла- вящимся электродом применяют вольфрам с добавками тория марки ВТ-15, лантана (ВЛ-10), иттрия (ВИ) и других элементов. Использование чистого вольфрама (ВЧ) не рекомендуется. Отмеченные примеси придают электроду повышенную стойкость, обеспечивают большую плотность тока и другие преимущества. Применение вольфрама ВТ-15 ограничивают из соображений радиационной безопасности при изготовлении электродов и при сварке. Сварку вольфрамовым электродом широко используют при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов, что обеспечивает высокое качество сварных соединений без использования флюса. Однако окисную пленку и загрязнения на поверхности металла для сварки в инертных газах требуется удалять более тщательно, чем при применении флюсов.
Питание дуги чаще всего осуществляется от источника переменного тока. Необходимость сварки переменным током вызвана тем, что при сварке постоянным током обратной полярности легко происходит расплавление вольфрамового электрода, а при сварке постоянным током прямой полярности затруднено удаление оки- ной пленки с поверхности алюминия.
Удаление окисной пленки преимущественно происходит в том случае, если основной металл является катодом. Удаление окисной пленки при сварке на прямой полярности в связи с большим тепловыделением облегчается при замене аргона гелием. Сварка вольфрамовым электродом осуществляется вручную или автоматом (табл. 11-2, 11-3). При сварке в среде гелия напряжение повышается на 7—10 В, при этом дуга укорачивается, сила тока снижается на 10—15%. Расход газа при использовании гелия увеличивается в 1,8—2,2 раза. Ручная сварка ведется на меньших
Таблица 11-2
Допустимые значения сварочного тока при сварке вольфрамовым электродом, А
Марка электродаМарка электрода= ^ в43 в= ^ в43 вМарка электродаМарка электрода1802002003001902202203502403003004102603403404801802002003001902202203502403003004102603403404804646010010010010836039010450500836039010450500450500600650450500600650440 490500 590440 490500 590620 650660 750620 650660 750010010010010
Марка электрода
Марка электрода
= ^ в
43 в
= ^ в
43 в
Марка электрода
Марка электрода
180
200
200
300
190
220
220
350
240
300
300
410
260
340
340
480
180
200
200
300
190
220
220
350
240
300
300
410
260
340
340
480
4
6
4
6
0
10
0
10
0
10
0
10
8360
390
10450
500
8360
390
10450
500
450
500
600
650
450
500
600
650
440 490
500 590
440 490
500 590
620 650
660 750
620 650
660 750
0
10
0
10
0
10
0
10
Режимы однопроходной автоматической аргоно-дуговой сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов неплавящимся (вольфрамовым) электродом
Толщина металла, мм
Диаметр вольфрамового электрода, мм
Диаметр присадочной проволоки, мм
Ав’
А
уп. пр м/ч
усв* м/ч
Расход аргона, л/мин
1,5
4
2
80—110
40—45
15—20
7—8
2,0
4
2
100—120
40—45
15—20
7—8
2,5
4
2
110—130
36—42
15—20
8—9
3,0
4
2
150—170
36—40
10—16
12—16
5,0
6
2
240—260
30—35
10—14
12—16
8,0
10
2—3
480—490
—
12
28—30
10
10
2—3
480—520
—
9
28—30
14
10
2—3
550—600
—
6
28—30
16
10
2—3
640—660
—
6
28—30
значениях тока в один, два и более проходов в зависимости от толщины.
Неплавящийся вольфрамовый электрод расходуется в небольшом количестве вследствие небольшого испарения и других причин. Расход электродов марки ВИ составляет около 0,04 г в 1 ч. Расход электродов других марок выше, а для чистого вольфрама он составляет 0,4—0,5 г в 1 ч и более. Существенное улучшение технологических характеристик (допустимая плотность тока, расход электродов), в особенности для электродов большого диаметра, достигается введением постоянной составляющей сварочного тока (до 10—15% общей величины сварочного тока). При этом уменьшается промежуток времени, в течение которого вольфрамовый электрод находится в режиме анода.
В настоящее время при сварке вольфрамовым электродом достигаются наиболее высокие механические свойства сварных соединений. Так, например, временное сопротивление сварного соединения сплава АМгб достигает 30—32 кгс/мм2, что соответствует коэффициенту прочности 0,9—0,95.
Плазменно-дуговая сварка неплавящимся электродом. Технологические характеристики процесса повышаются при использовании плазменной сварки вместо обычной дуговой. Особенно широко в настоящее время применяется так называемая микро- плазменная сварка для соединения тонколистового алюминия толщиной 1 мм и менее. При аргоно-дуговой сварке тонколистового алюминия неплавящимся электродом из-за прожогов и провисаний металла шва не удается получить качественного соединения. Снижение силы сварочного тока до 10 А и менее приводит к нарушению стабильности дуги. Наблюдаемое при этом блуждание дуги вызывает необходимость сваривать при коротком дуговом промежутке, в результате чего возможно замыкание
вольфрамового электрода на присадочный металл и попадание вольфрама в шов. Применение очень тонкого вольфрамового электрода с целью повышения устойчивости дуги также затруднено из-за недостаточной его жесткости.
Если затруднить диффузию плазмы и развитие процесса ионизации в радиальном направлении, то плотность тока и пространственная устойчивость дуги могут быть существенно повышены. С этой целью применяют интенсивное охлаждение периферийных слоев плазмы и специальные сопла, ограничивающие диаметр столба дуги.
Для микроплазменной сварки алюминия применяют вольфрамовые электроды ВЛ-10 диаметром 0,8—1,2 мм. В качестве плазмообразующего газа используют аргон чистотой не менее 99,6%, в качестве защитного газа — гелий. Защитный газ выполняет одновременно две функции: охлаждает периферийные слои плазмы и защищает жидкий металл сварочной ванны от воздействия воздуха.
При сварке тонколистового алюминия лучшие результаты получаются при бортовых и стыковых соединениях с отбортовкой кромок. Высота борта кромки 0,5—2 мм в зависимости от толщины металла.
Сварка плавящимся электродом. При изготовлении конструкций из металла толщиной более 4 мм сварку ведут постоянным током обратной полярности. В данном случае должно происходить более полное удаление окисной пленки, чем при прямой полярности или на переменном токе. Однако при сварке плавящимся электродом в связи с капельным переносом металла через дуговой промежуток труднее обеспечить надежную защиту сварочного пространства от попадания воздуха. Сварку плавящимся электродом выполняют полуавтоматом или автоматом.
Большее применение имеет полуавтоматическая сварка, особенно с использованием импульсов (табл. 11-4). Наложение импульсов тока заданных параметров на основной сварочный ток сокращает промежуток времени пребывания капли на торце электрода и позволяет осуществлять устойчивый процесс при относительно малом среднем значении тока. Этим облегчается сварка в различных пространственных положениях и несколько повышаются механические свойства соединений.
Электроннолучевая сварка. Применительно к алюминиевым сплавам повышенной прочности этот вид сварки обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с другими видами сварки плавлением: высокая плотность энергии благодаря малому диаметру луча и его стабильности, малое тепловложение и относительно высокая скорость процесса. В результате достигается минимальное разупрочнение металла в околошовной зоне. Кроме того, в вакууме порядка 1-10” 4 мм рт. ст. сохраняется высокая чистота окружающей среды на два порядка выше, чем, например, при дуговой сварке в аргоне марки А.
Режимы полуавтоматической импульснодуговой сварки алюминиевых сплавов плавящимся электродом в аргоне
Тип сварного соединения
2
2
х ” д’ ч
® 2 о
§ х ”
о го
с з 5
о =- £-5 г
<
РЭ
tD
*2
ы ^
О^ и
s £
" g
2 и
У к
Стыковое односто-
4
1,6
130—150
18—20
20—25
10—12
50
роннее с обрат-
5
Нижнее
1,6
140—170
18—20
20—25
10—13
50
ным формирова-
6
1,6
160—190
19—21
20—25
12—14
50
иием шва на
стальной под-
кладке
Стыковое двусто-
6
2,0
140—160
18—20
20—30
12—14
50
роннее без раз-
8
Нижнее
2,0
160—180
22—24
25—30
12—14
100
делки кромок
10
2,0
220—280
24—26
25—30
14—16
100
4
1,6
120—150
20—21
25—30
9—10
50
6
Нижнее
2,0
180—210
21—22
25—30
10—12
50
8
2,0
200—250
22—23
25—30
12—15
50
Нахлесточное и
тавровое без
разделки кро-
4
Верти-
1,6
120—150
19—21
25—30
10—12
50
мок
6
кальное
2,0
150—180
19—21
25—30
12—14
50
и пото-
лочное
Нахлесточное и
8
2,0
180—250
21—22
20—25
12—14
100
тавровое со ско-
10
То же
2,0
200—260
22—24
20—25
14—16
100
сом кромок
14—15
2,0
240—300
24—26
10—20
16—28
100
Электроннолучевая сварка обеспечивает минимальное коробление изделия вследствие малой ширины шва. Поверхности алюминиевых деталей под электроннолучевую сварку следует подготавливать травлением с последующим шабрением кромок непосредственно перед загрузкой заготовки в вакуумную камеру. В отличие от всех других методов сварки плавлением электроннолучевую сварку алюминиевых сплавов благодаря малому объему сварочной ванны и узкому шву можно выполнять как «на весу», так и на подкладках. Сварку сплавов, содержащих легко испаряющиеся элементы (магний, цинк и др.), предпочтительнее выполнять «на весу», так как в этом случае облегчается удаление паров металла и повышается плотность сварных швов.
Погонная энергия при электроннолучевой сварке значительно меньше, чем при дуговой. Так, например, при сварке сплава АМгб толщиной 10 мм (ускоряющее напряжение 20 кВ, сила тока луча 140 мА, скорость сварки 72 м/ч) погонная энергия
650
в 10 раз меньшё, чем при аргоно-дуговой (напряжение дуги 18 В, сила тока 480 А, скорость сварки 12 м/ч). Механические свойства соединений, полученных электроннолучевой сваркой, либо превышают, либо равны соответствующим свойствам соединений, полученных аргоно-дуговой сваркой.
Электроннолучевая сварка позволяет выполнять соединения различных типов: стыковые, угловые (тавровые и нахлесточные), с отбортовкой кромок и др.
11-2. Сплавы на основе магния
Чистый магний из-за малой коррозионной стойкости и малой прочности для сварных конструкций непригоден. В качестве конструкционного материала применяют сплавы магния с алюминием, марганцем, церием и др. (табл. 11-5). Из всех конструкционных материалов магниевые сплавы отличаются наименьшей плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), что обусловливает их применение для конструкций, у которых масса является основным показателем. В отличие от алюминиевых сплавы на основе магния и их сварные соединения имеют меньшую пластичность.
Маркируют магниевые сплавы буквой М с другой рядом стоящей буквой А для обрабатываемых сплавов и Л для литейных сплавов.
Собственная окисная пленка слабо защищает металл от воздействия атмосферы и влаги даже при комнатной температуре.
Таблица 11-5
Состав и свойства магниевых сплавов, наиболее часто применяемых при сварке
Марка сплава
Содержание элементов (не более) нли пределы, %
Mg
Мп
А1
С1
Си
Be
Ni
МА-1
Основа
1,3—1,5
0,3
0,05
0,02
0,01
МА 2
»
0,15— 0,5
3—4
—
0,05
0,02
0,005
МА-3
»
1,5—2,5
0,3
0,15— 0,5
0,05
0,02
0,01
Марка сплава
Содержание элементов (не более) или пределы, %
Механические свойства
Zn
Si
Fe
Другие элементы
ав- кгс/мм2
ао,г-
кгс/мм2
б %
МА-1
0,3
0,15
0,15
0,2
19—21
10—12
3—5
МА-2
0,2—0,8
0,1
0,1
0,3
24
14
5
МА 3
0,3
0,15
0,05
0,2
22—23
13—14
12—14
Проникая сквозь рыхлую пленку, кислород непрерывно взаимодействует с внутренними слоями металла. Для повышения коррозионной стойкости его поверхность покрывают искусственной хроматной защитной пленкой.
При повышении температуры окисление магния резко усиливается, что затрудняет его сварку. Магниевые сплавы необходимо тщательно очистить от окиси магния и защитной пленки до начала сварки, а затем нанести защитную пленку на поверхность сварного соединения. Длительное хранение металла после зачистки до сварки ухудшает качество швов.
Наиболее широкое распространение при изготовлении сварных конструкций из магниевых сплавов имеет аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом. При этом процессе легче осуществляется надежная защита сварочного пространства от воздействия воздуха. Ранее применявшиеся сварка угольным электродом с подачей в сварочную ванну флюсов и сварка покрытыми электродами в настоящее время потеряли свое значение.
Сварку в аргоне магниевых сплавов, так же как и алюминиевых, производят преимущественно переменным током, при этом обеспечивается достаточно полное удаление окисной пленки. Стыковые соединения сваривают на стальной подкладке с небольшой канавкой для формирования обратного валика. При сварке поддерживают возможно более короткую дугу. В данном случае полнее реализуются преимущества аргоно-дугового процесса — удаление окисной пленки действием электрического тока и надежная защита жидкого металла от окисления. Прочность сварных соединений составляет 60—90% прочности основного металла. Аргоно-дуговым способом также заваривают дефекты магниевого литья. Во избежание холодных трещин сваренные узлы обычно подвергают отжигу при температуре 250° С в течение 0,5—1 ч.
11-3. Бериллий и его сплавы
Новый конструкционный металл — бериллий при малой плотности (1,84 г/см8) обладает исключительно большим модулем упругости (30 000 кгс/мм2), что обусловливает применение его в конструкциях, к которым предъявляются требования высокой жесткости и легкости. Бериллий имеет достаточно высокую температуру плавления (1283° С) и хорошую коррозионную стойкость во многих средах. Окисная пленка на бериллии также плотна, как и на алюминии, и в отличие от магния надежно защищает металл от окисления. Бериллий обладает достаточно высокой прочностью при нормальной (ов = 40-ъбО кгс/мм2) и повышенной температурах.
Бериллий преимущественно производят металлокерамическим способом; он содержит в большом количестве кислород в виде окиси бериллия (1—3%), а также другие примеси. Эти примеси, хотя и повышают прочность металла, но существенно снижают
652
его пластичность, вызывая в сварных швах образование холодных трещин. Для обеспечения удовлетворительной свариваемости в техническом бериллии ограничивается содержание вредных примесей до следующих количеств (в % по массе): ВеО до 0,3%; Ее до 0,04 %; А1 до 0,02%; Si до 0,02%.
Увеличение содержания окиси бериллия ухудшает формирование и повышает пористость швов. Однако и при наличии сравнительно небольшого количества примесей вследствие особенностей кристаллического строения (гексагональная решетка) бериллий малопластичен, поскольку в его деформации участвует мало плоскостей скольжения. В этом отношении бериллий уступает не только алюминию, но и магнию.
Для соединения деталей из бериллия находит применение аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом и электроннолучевая сварка. Предпочтительны соединения с отбортовкой кромок. При сварке стыковых соединений требуется введение в ванну присадочной проволоки.
Сварку неплавящимся электродом в инертных газах — аргоне, гелии и их смесях производят преимущественно в камерах с контролируемой атмосферой вольфрамовым электродом на переменном токе. Техника и сварочная аппаратура те же, что и при сварке алюминия.
В процессе сварки заметно вырастает зерно в околошовной зоне, прочность сварного соединения составляет 0,5—0,6 прочности основного металла.
Техника электроннолучевой сварки также близка к технике сварки алюминиевых сплавов. Однако высокое давление паров бериллия создает определенные трудности в обеспечении устойчивого сварочного процесса.
11-4. Титан и его сплавы
Среди новых конструкционных металлов весьма перспективны титан и сплавы на его основе, которые имеют два основных преимущества по сравнению с другими материалами: высокую удельную прочность (т. е. прочность, отнесенную к плотности) вплоть до температур 450—500° С и отличную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах. Непрерывно расширяются области применения титана и титановых сплавов в химическом машиностроении, авиапромышленности и других отраслях производства.
Весьма ’чистый титан (названный по способу его получения иодидным) находит ограниченное применение, например, в радиоэлектронике.
Технический титан содержит примеси внедрения, в том числе газы — кислород, азот и водород, которые в разной степени повышают прочность и снижают пластичность и вязкость металла. В сварных швах они вызывают образование холодных трещин,
653
Поэтому свариваемый технический титан должен содержать ограниченное количество примесей'—газов (табл. 11-6). За последние годы металлургическая промышленность освоила изготовление из технического титана листового проката различной толщины, поковок, проволоки, труб и других полуфабрикатов.
Легирование титана позволяет получать свариваемые сплавы, обладающие повышенной прочностью при достаточной пластичности и вязкости.
Легирующие элементы по-разному оказывают влияние на фазовый состав сплавов на основе титана. Такие элементы как алюминий, олово, цирконий и другие не изменяют кристаллического строения технического титана, для которого при нормальной температуре характерна a-фаза. Поэтому они называются «-стабилизаторами. Большая группа элементов — марганец, молибден, ванадий, хром и другие — при добавлении в титан может сохранить при нормальной температуре высокотемпературную P-фазу. Изменяя количество таких Р-стабилизаторов, можно получить двухфазный (а + Р)-сплав или даже однофазный р-сплав. Сплав последнего типа получается при высоком содержании элементов Р-стабилизаторов.
Технический титан и однофазные (a-фаза) сплавы титана не упрочняются в результате термообработки. Двухфазные и однофазные метастабильные р-сплавы титана воспринимают упрочняющую термообработку, состоящую из закалки с последующим отпуском (старением). Прочность таких сплавов, подвергнутых термообработке, может быть доведена до 140 кгс/мм2 и более при удовлетворительной пластичности и вязкости.
Таблица 11-6
Состав и свойства технического титана и некоторых его сплавов
Марка сплава
Пределы содержания примесей газов, %
Содержание элементов, %
ств- кгс/мм8
n2
о2
н2
А1
Другие элементы
ВТ 1-00
0,04
0,10
0,008
30—45
ВТ 1-0
0,04
0,12
0,010
} Технический титан
45—50
ВТ1-1
0,05
0,15
0,012
50—55
ВТЗ-1
0,05
0,18
0,015
4,0—5,2
1,5—2,5 Сг
95—110
2,0—3,0 Мо
ВТ5
0,05
0,20
0,015
4,3—6,0
—
70—95
ВТ5-1
0,05
0,15
0,015
4,0—5,5
2,0—3,0 Sn
80—100
ВТ6
0,05
0,20
0,015
5,0—6,5
3,5—4,5 V
90—110
ВТ8
0,05
0,15
0,015
5,8—6,8
2,8—3,8 Мо
105—120
ОТ4
0,05
0,15
0,010
2,5—4,2
0,8—2,0 Мп
70—90
ВТ14
0,05
0,15
0,015
3,5—5,5
2,5—3,8 Мо
125—130 *
0,01—0,1 Zr
* Максимальное значение временного сопротивления после упрочняющей термообработки — закалки и старения.
Сварка технического титана и однофазных а-сплавов. Большая химическая активность титана при высоких температурах и особенно в расплавленном состоянии по отношению к газам (кислороду, азоту и водороду) затрудняет сварку этого металла. Обязательным условием получения качественного соединения при сварке плавлением является надежная защита от газов атмосферы не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и околошовной зоны вплоть до температуры 400° С. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону (корень) шва, даже в том случае, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.
Дополнительные затруднения при сварке создает большая склонность титана к росту зерен при нагреве до высоких температур, особенно в области p-фазы (выше 880° С). Низкая теплопроводность титана способствует увеличению времени пребывания шва и околошовной зоны при высоких температурах. Например, время пребывания околошовной зоны на титане выше температуры а —» р превращения превосходит аналогичный параметр для стали в 2,5—3 раза. Чтобы преодолеть указанное затруднение, сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии.
На качество сварных соединений титана оказывает влияние состояние поверхности кромок и присадочного металла. Окисно- нитридная пленка, которая образуется после горячей обработки полуфабрикатов (ковки, штамповки, прокатки на воздухе и др.), удаляется механической обработкой или путем пескоструйной обработки и последующего травления металла в смеси солей с кислотами или щелочами. Находит применение травление в течение 5—10 мин при температуре 60° С в растворе следующего состава: 350 см8 технической соляной кислоты, 50 г фтористого натрия, 650 см3 воды.
При неполном удалении пленки окислов на поверхности титана может сохраниться альфированный слой. Такое название этот слой получил вследствие повышенной концентрации в нем газов (азота, кислорода), стабилизирующих a-фазу, и способности сохранять непревращенную a-фазу при закалке от температур несколько выше температуры фазового превращения.
Наиболее частыми дефектами сварных швов являются поры и холодные трещины. В сварных титановых швах механизм образования пор, располагающихся по оси шва и у границ сплавления, практически такой же, как и для стали.
Возбудителями пор являются газы и среди них в первую очередь водород. Скачкообразное резкое уменьшение растворимости водорода в твердом титане по сравнению с жидким приводит к интенсивному выделению этого газа при кристаллизации сварочной ванны, что, в свою очередь, может при неблагоприятных условиях вызвать образование газовых полостей —■ пор. Уже известны пути борьбы с пористостью в титановых швах. В первую
очередь необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку выполнять на оптимальных режимах.
В последние годы широкое применение нашел способ сварки титана под флюсом (содержащим фториды щелочных и щелочноземельных металлов), разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона. При таком способе сварки связывание водорода в зоне дуги во фтористый водород полностью исключает возможность образования пор в металле шва.
Холодные трещины в сварных соединениях возникают при пониженной пластичности разных его участков. К этому приводит чрезмерное содержание в основном металле и шве примесей внедрения — газов. Трещины такого типа могут возникать сразу же после сварки, а также в результате процесса замедленного разрушения со временем после вылеживания сварных изделий. Основной причиной такого процесса является выделение водорода из твердого раствора с образованием гидридов титана, связанное с охрупчиванием титана и возникновением в шве больших внутренних напряжений. Для предохранения шва от загрязнения водородом применяют сварочную или присадочную проволоку, предварительно подвергнутую вакуумному отжигу. Содержание водорода в такой проволоке не превышает 0,002—0,004% по массе.
Вследствие высокой химической активности титана не все известные способы сварки плавлением используют для этого металла. Так, например, до настоящего времени не разработан надежный способ сварки титана вручную покрытыми электродами.
Для соединения деталей из титана и его сплавов применяют дуговую сварку неплавящимся и плавящимся электродами с защитой инертным газом, дуговую сварку под флюсом и электро- шлаковую сварку, а в последнее время — и новые способы: электроннолучевую и сварку сжатой дугой, в том числе микро- плазменную.
Сварку неплавящимся электродом в защитных газах ведут вручную или автоматом. Большое распространение для сварки неплавящимся электродом получил аргон (табл. 11-7). Удовлетворительное качество сварных соединений можно получить, используя чистый аргон марки А (ГОСТ 10157—62). Сварку вольфрамовым, обычно лантанированным электродом выполняют постоянным током прямой полярности. Источник питания дуги и аппаратура мало отличаются от используемых при сварке других металлов.
Характерно применение специальных приспособлений, позволяющих защитить зону сварки, остывающие участки шва и око- лошовную зону, а также корень шва. К ним относятся удлиненные насадки с отверстиями, защитные козырьки, ползушки (рис. 11-6) и другие приспособления, обеспечивающие защиту металла шва и участков основного металла, подвергнутых нагреву.
Режимы автоматической дуговой сварки титана вольфрамовым электродом в аргоне
Толщина металла, мм
Диаметр электрода, мм
Длина дуги, мм
А
усв* м/ч
Расход аргона, л/мин
для зтщиты зоны сварки и шва
для защиты обратной стороны
1,0
1,5—2,0
1,5—2,0
60—80
8—10
25—30
14—17
3—4
1,5
1,5—2,0
1,5—2,0
80—100
10—12
25—30
15—18
3—4
2,0—2,5
2,0—2,5
2,0—2,5
120—200
12—14
20—25
18—22
4—5
2,5—3,0
2,5—3,0
2,0—2,5
200—220
12—14
20—25
22—26
4—5
Защиту корня шва можно осуществить несколькими способами: при небольшой протяженности стыковых соединений — плотным поджатием кромок свариваемых деталей к медной или стальной подкладке; подачей инертного газа в подкладку с отверстиями или изготовленную из пористого материала. При сварке сосудов или труб инертный газ пропускают внутрь изделия.
В производственных условиях достаточно надежно удается защитить короткие прямолинейные швы. Качественная сварка изделий сложной конфигурации со швами, расположенными в разных плоскостях с местной защитой шва, на воздухе весьма затруднена. Поэтому для сварки находят применение герметичные камеры с контролируемой атмосферой инертного газа (рис. 11-7).
Сварку в камерах можно выполнять автоматами или вручную. Камеры для ручной сварки имеют окна, в которых закреплены резиновые перчатки. Оператор выполняет сварку, продевая руки в перчатки и находясь вне камеры.
Перед заполнением камеры инертным газом при небольшом избыточном давлении (до 0,1 ат) ее вакуумируют до разрежения 1 • 10' 8 мм рт. ст. Сварку в камерах
11выполняют на режимах, аналогичных тем, которые используют при сварке в среде инертного газа на воздухе
1
1
В последнее время в связи с увеличением габаритных размеров и массы конструкций из титана и его сплавов находят применение большие так называемые обитаемые камеры с инертной атмосферой. В этом случае оператор выполняет сварку, находясь внутри
Рис. 11-6. Защитный козырек с горелкой для сварки титана неплавящимся электродом в среде инертного газа
Рис. 11-7. Герметичная камера для сварки ного газаРис. 11-7. Герметичная камера для сварки ного газав контролируемой атмосфере инерт-
Рис. 11-7. Герметичная камера для сварки ного газа
Рис. 11-7. Герметичная камера для сварки ного газа
камеры в специальном скафандре. Камеры такого типа оборудованы системами шлюзования, регенерации инертного газа, обеспечения сварщика воздухом и др.
О надежности газовой защиты в процессе сварки и при последующем охлаждении сварного соединения при всех видах сварки в инертных газах можно судить по внешнему виду шва. Блестящая серебристая поверхность свидетельствует о хорошей защите. Появление на шве цветов побежалости указывает на нарушение стабильной защиты, а серых налетов ■— на плохую защиту. Достаточно простым критерием оценки степени загрязнения шва примесями внедрения — газами (азотом и кислородом) служит твердость металла шва и околошовной зоны.
При хорошей защите твердость металла шва не превосходит исходной твердости основного металла. При этом сварные соединения равнопрочны основному металлу и имеют достаточно высокие пластические свойства. Так, стыковое соединение сплава ВТ1 толщиной 1—2 мм, выполненное сваркой без присадки, имеет временное сопротивление 45—56 кгс/мм2, угол изгиба 180°, а сплава ВТ5 — 75—90 кгс/мм2 и 70—90° соответственно.
При сварке неплавящимся электродом технического титана и низколегированных титановых сплавов толщиной более 1,5— 2 мм для получения полномерного шва применяют присадочный материал—титановую проволоку ВТ1-00, подвергнутую вакуумному отжигу для снижения содержания водорода до 0,002— 0,004%. Более стабильное качество швов удается получить при автоматической подаче присадочной проволоки в зону сварки.
Рис. 11-8. Микроструктура металла г». ' ^w 1«; т
шва при сварке технически s - ;t«-
го титана в среде аргона; Х300*.
Поэтому такой способ сварки заслуживает предпочтения по сравнению с присадкой вруч-*
ную.,
Швы, сваренные на техническом титане и низколегированных а-сплавах, имеют круп-♦<•
нокристаллическую макро- и микроструктуру (рис. 11-8). Для металла шва и околошов- ной зоны характерна микроструктура игольчатой а'-фазы, образование которой связано "'
с полным превращением высокотемпературной 0-фазы при!
быстром остывании. Игольча-' j
тость фазы свидетельствует,
о мартенситной кинетике превращения. Структурные участки околошовной зоны на титане аналогичны таким же участкам на стали. Непосредственно к металлу шва примыкают участки крупного зерна или перегрева, затем следуют участки полной перекристаллизации с увеличенными размерами зерен по сравнению с основным металлом (рис. 11-9). Околошовная зона очерчена ярко выраженной границей с неизменившим микроструктуру основным металлом.
Важным условием предотвращения охрупчивания металла шва и околошовной зоны с мартенситоподобной игольчатой микроструктурой является обеспечение чистоты металла и выбор режимов сварки с оптимальными термическими циклами.
Термообработку сварных соединений из титана и его низколегированных сплавов проводят лишь с целью снятия сварочных напряжений. Температуру нагрева принимают до 600—650° С, время выдержки 30—40 мин, остывание с печью.
Для сварки титана малых толщин (менее 1,5—2 мм) находит применение имсульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом.
Так, при длительности импульса 0,2—0,3 с и паузы ОД- ОД с удается выполнять сварку как бы точками с их перекрытием. При этом заметно уменьшается перегрев металла, снижаются сварочные деформации, а в ряде случаев несколько повышается пластичность швов. При импульсно-дуговой сварке титана неплавящимся электродом без присадки деформации по сравнению с деформациями при обычной аргоно-дуговой сварке снижаются
Рис. 11-9. Структурные участки околошовной зоны на техническом титане; X 300: а — участок крупного зерна;
б — участок полной перекристаллизации
в зависимости от толщины металла: для толщины 0,5 мм — на 30%; для 1,0 мм—на 25% и для 2 мм—на 15%.
Весьма эффективен новый отечественный способ аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом с применением флюсов- паст. Этот способ использует преимущества сварки титана под флюсом, достигаемые введением в зону сварки фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. Первоначально такой способ, предложенный О. А. Маслюковым, применяли лишь для устранения пористости швов. Это достигалось нанесением весьма тонкого слоя специального однокомпонентного реагента на поверхность свариваемых кромок.
В дальнейшем исследования, выполненные в ИЭС имени Е. О. Патона, показали, что использование специальных флюсов при сварке неплавящимся электродом позволяет заметно снизить затраты погонной энергии, получить более узкие швы при значительном увеличении глубины проплавления, частично рафинировать и модифицировать металл шва.
Для сварки титана находят применение флюсы-пасты серии АН-ТА (АН-Т17А и др.). Сварка с такими флюсами дает возможность выполнять за один проход без разделки кромок соединения из титана толщиной до 12 мм узкими швами на токах в 2,5— 3 раза меньших по сравнению с токами при обычной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. Рис. 11-10 иллюстрирует снижение погонной энергии при сварке металла толщиной 2—6 мм с использованием флюса. Одним из важных преимуществ такого способа сварки является снижение деформаций сварных конструкций.
Способ сварки неплавящимся электродом углубленной или погруженной дугой, разработанный для титана А. П. Горячевым,
660
Рис. П-10. у
Значения погонной энергии при сварке неплавящимся электродом титана разных толщин.
О — без флюса, • — с флюсом
также позволяет за один проход сваривать металл средних толщин. Однако к его основным недостаткам относятся чрезмерная ширина шва и большие размеры око- лошовной зоны.
Сварку плавящимся электродом в среде инертных газов производят постоянным током обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос металла. Отклонение от оптимальных режимов приводит к разбрызгиванию электродного металла, нарушению газовой защиты зоны сварки, ухудшению формирования швов. Для сварки используют сварочную проволоку диаметром 2—5 мм в зависимости от толщины основного металла. Применяют скользящие водоохлаждаемые защитные приспособления, обеспечивающие изоляцию шва от атмосферы. Более стабильное качество соединений получается при сварке плавящимся электродом в камерах с контролируемой инертной атмосферой.
При сварке в монтажных условиях соединений из титана, расположенных в разных пространственных положениях (например, стыковка труб и колонн в химическом машиностроении и др.), находит применение метод импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде аргона. Полуавтоматическая сварка титановой проволокой диаметром 1,2—2 мм с питанием от генератора импульсов (например ИИП-2) обеспечивает перенос одной капли металла при каждом импульсе тока.
Принудительный, направленный перенос электродного металла при сварке титана значительно улучшает формирование швов, выполняемых полуавтоматом, и делает возможной полуавтоматическую сварку в среде аргона в вертикальном и даже потолочном положении.
При сварке без импульсов на токах силой 150—300 А электродный металл разбрызгивается, условия защиты зоны сварки ухудшаются, при сварке вертикальных швов процесс нестабилен. Применение импульсно-дуговой сварки позволяет в определенных пределах управлять переносом металла, практически полностью устраняет разбрызгивание, стабилизирует проплавление основного металла, упрощает технику полуавтоматической сварки вертикальных швов. Имеются различия в микроструктуре швов, сваренных обычным аргоно-дуговым способом и с наложением импульсов. Металл шва, выполненного импульсно-дуговой свар-
кой, отличается измёЛьченной внуТризерённой структурой а'-фазы.
Для титана и его сплавов толщиной более 2,5—3 мм находит применение способ сварки под флюсом, разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона. Из-за большой химической активности металла при высоких температурах, особенно в расплавленном состоянии, к флюсу для сварки титана предъявляются особые требования. Он должен обеспечивать надежную защиту зоны сварки от вредного воздействия воздуха и не оказывать окислительного действия на металл шва. Важно, чтобы флюс предохранял шов от загрязнения водородом.
Технический титан имеет сравнительно высокую температуру плавления. Поэтому флюс для сварки титана должен быть более тугоплавким, чем флюсы для сварки стали. Этим требованиям удовлетворяют бескислородные фториднохлоридные флюсы сухой грануляции серии АН-Т. Для сварки титана толщиной 2—8 мм применяют флюсы АН-Т1 и АН-ТЗ; для сварки металла больших толщин — флюс АН-Т7.
Сварку выполняют постоянным током при обратной полярности электродом того же состава, что и основной металл. Так как титан обладает большим электросопротивлением, чем сталь, то при большом вылете электрода, обычном для стальной сварочной проволоки, он перегревается, нарушается устойчивость процесса сварки, ухудшается формирование сварных швов. Поэтому сварку следует выполнять при малых вылетах электрода. Ниже приведены оптимальные значения вылета электрода для проволоки разного диаметра:
Диаметр электрода, мм 2—2,5 3—45
Вылет электрода, мм 14—16 17—19 20—22
Под флюсом сваривают стыковые, угловые и нахлесточные швы (табл. 11-8, рис. 11-11). Сварку стыковых швов листового титана выполняют на медной подкладке с канавкой, на флюсовой подушке, а также на остающихся подкладках. Последний способ наиболее удобен для металла небольшой толщины (2—3 мм).
В табл. 11-9 приведены состав и механические свойства основного металла марки ВТ1 толщиной 4 мм, сварочной проволоки диаметром 3 мм и шва, выполненного под флюсом.
Титан толщиной более 30—40 мм целесообразно сваривать электрошлаковым способом. Одной из главных особенностей такого способа сварки применительно к титану является использование тугоплавкого бескислородного флюса АН-Т2.
Однако одной лишь шлаковой защиты при сварке титана недостаточно. При открытой поверхности шлаковой ванны вследствие контакта расплавленного шлака с воздухом металл шва загрязняется газами атмосферы. Увеличение глубины шлаковой ванны не улучшает защиты. Возникает необходимость в дополнительной газовой защите, которая осуществляется подачей
662
Режимы автоматической сварки под, флюсом стыковых швов на титане без разделки кромок
Толщина металла,
Сварка
Диаметр проволоки,
^СВ* А
ид' В
ип- м/ч
исв’
2,5
На остающейся подкладке
2,0
180—200
30—32
150—170
45—55
3
То же
2,0
190—210
28—30
150—170
45—55
3
»
2,5
240—260
30—32
150—170
45—55
4
»
2,5
270—290
30—32
170—190
45—55
4
На медиой подкладке
3,0
340—360
32—34
145—155
45—55
5
На остающейся подкладке
3,0
350—380
32—34
150—160
45—55
5
На медной подкладке
3,0
370—390
32—34
160—170
45—55
6
На остающейся подкладке
3,0
420—450
32—34
200—210
45—55
6
На медной подкладке
3,0
390—420
30—32
170—180
45—55
6
Двусторонняя.
2,5
240—260
30—32
160—170
45—55
8
».. . .
3,0
350—380
32—34
160—170
45—55
8
На медной подкладке
4,0
590—600
30—32
90—100
40—50
10
Двусторонняя . . . .
3,0
440—460
32—34
180—190
45—55
12
».. . .
3,0
450—500
32—34
90—100
40-45
16
».. .
4,0
590—600
30—32
90—100
40—45
18—20
4,0
600—610
32—34
90—100
40—50
чистого аргона над поверхностью шлаковой ванны. Для этой цели медные водоохлаждаемые ползуны или кокили в верхней части имеют каналы с отверстиями для подачи аргона. Защитные козырьки обеспечивают минимальный расход газа.
Поковки из титана при длине швов до 200—250 мм сваривают пластинчатым электродом (табл. 11-10). Швы большей протяженности сваривают плавящимся мундштуком или проволочными электродами.
Для электрошлаковой сварки деталей из технического титана и низколегированных титановых сплавов пластинчатые элек-
Рис. 11-11. Макроструктура сварного соединения технического титана толщиной 10 мм (сварка под флюсом в один слой)
663
Состав и свойства сварного соединения из титана ВТ1
Металл
Содержание примесей, %
Механические свойства
Z
О
X
О
S S
ь” и
Угол изгиба, град.
Основной металл . .
0,032
0,007
0,007
0,04
51,2
22,5
180
Сварочная проволока
0,028
0,008
0,004
0,04
52,3
20,9
8 перегибов
Шов
0,030
0,008
0,006
0,05
51,8
21,8
180
троды изготовляют из листового металла той же марки толщиной 8—12 мм. Ширина пластинчатого электрода должна соответствовать толщине свариваемых деталей.
Так как при электрошлаковой сварке проволочным электродом необходим большой вылет, для титана применяют проволоку диаметром 5 мм. Швы, сваренные электрошлаковым способом на титане, имеют крупнокристаллическое строение. Использование чистых сварочных материалов обеспечивает получение качественного сварного соединения со сварными швами, равнопрочными основному металлу и обладающими удовлетворительной пластичностью.
Сварка сплавов титана повышенной прочности. Низколегированные двухфазные сплавы с пределом прочности до 90 кгс/мм2 (суммарная концентрация Р-стабилиза- торов до 3%) свариваются так же удовлетворительно, кака-сплавы. Сварные соединения более прочных двухфазных термически упрочняемых сплавов в состоянии после сварки нередко имеют пониженную пластичность и склонны к образованию холодных трещин.
Для таких сварных соединений обязательна последующая термообработка. Оптимальный режим термообработки выбирают в зависимости от системы легирования, концентрации легирующих
Таблица 11-10
Режимы электрошлаковой сварки поковок из титана пластинчатым электродом
Толщина металла,
Зазор между кромками,
Толщина электрода.
^В’ А
Масса засыпаемого флюса, г
Расход аргона на защиту шлаковой ваины, л/мин
30—50
23—25
8—10
1200—1600
80—120
5—7
50—80
23—25
8—10
1600—2000
120—160
7—10
80—100
24—26
10-12
2000—2400
160—210
10—12
100—120
24—26
10—12
2400—2800
210—250
12—14
элементов, толщины металла и др. Термообработку производят как с непрерывным остыванием от максимальных температур нагрева в двухфазной области (850—900° С), так и ступенчато.
Чтобы сохранить прочность шва на уровне прочности основного металла, сварку выполняют с использованием легированной проволоки (например ОТ4-1, ВТбсв, СПТ-2 системы алюминий— ванадий—цирконий и др.). Упрочняющая термообработка сварных соединений состоит из закалки и последующего старения.
Сварное соединение из сплава ВТ6 толщиной 4 мм, выполненное под флюсом АН-Т1 проволокой диаметром 3 мм того же состава, что и основной металл, после сварки имеет ов = = 104,2 кгс/мм2, 6 = 12,6%, ф = 31,5%, ан = 4,3 кгс/см2. Это же соединение после термообработки (закалка в воду от 850° С, старение при 500° С 2 ч) имеет пв = 123,1 кгс/мм2, 6 = 8,2%, ф = 16,3%, ан = 3,6 кгс/см2. Повышение прочности шва на сплаве ВТ6 после упрочняющей термообработки сопровождается снижением пластичности и в меньшей мере— ударной вязкости.
§ 11-5. Медь и ее сплавы
Медь и сплавы на ее основе находят применение в технике для изготовления специальной аппаратуры (теплообменные аппараты, электрораспределительные устройства и др.) благодаря специфическим физико-химическим свойствам: высокой тепло- и электропроводности, химической стойкости и устойчивости против перехода в хрупкое состояние при температурах глубокого холода (табл. 11-11). В последние годы медные сплавы широко применяют в спецэлектрометаллургии для изготовления водоохлаждаемых кристаллизаторов печей вакуумно-дуговой, электрошлаковой, электроннолучевой и плазменной плавки металлов и сплавов.
При сварке меди встречаются затруднения, вызванные следующими особенностями металла.
Легкая окисляемость меди в расплавленном состоянии. Образующаяся в результате этого процесса закись меди растворима в жидком и весьма ограниченно в твердом металле. Она дает с медью легкоплавкую составляющую (эвтектику), которая, сосредотачиваясь по’границам кристаллитов, снижает стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для изготовления сварных конструкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03%, а для ответственных изделий — 0,01 %.
Опасными примесями меди в отношении снижения стойкости против образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются также висмут и свинец. Поэтому содержание висмута в меди допускается не более 0,003%, а свинца — не более 0,03%.
Пониженная стойкость металла шва против возникновения пор, обусловленная выделением водяного пара и, возможно, водо-
665
Таблица 11-11
Состав и свойства меди и некоторых ее сплавов
Сплав
Содержание элементов, %
Механические свойства
группа
марка
Си
Мп
другие элементы
s'0 ex О c X
МБ
99,95
0,05
20—22
50
Ml
99,90
0,1
22—24
50
Медь
М2
99,70
0,3
22—24
50
МЭС
99,5
0,5
22—24
50
Бр Х08
Основа
—
0,4—0,7
0,5
23—25
30—40
Л90
88—91
Zn — остальное
0,2
26
44
Л62
60,5—
Zn —»
0,5
30
40
Латунь
ЛМц58-2
63,5 57—60
1,0—2,0
Zn —»
1,2
36
24
ЛК80 3
79—81
—
2,5—4,0 Si, Zn — остальное
1,5
30—50
15—40
Бр КМцЗ-1
Основа
1,0—1,5
2,75—3,5 Si
1,1
35
15
Бронза
Бр АМц9 2
»
1,5—2,5
8—10 Al
1,7
40
25
Бр АЖМц
»
1,0—2,0
9—11 Al,
1,75
50
20
10-3-1,5
2—4 Fe
рода из кристаллизующегося металла шва. Сродство меди к азоту весьма мало. В связи с этим азот не является возбудителем пор и даже может быть использован в качестве защитной атмосферы при сварке меди.
В отношении стойкости против возникновения пор предпочтительны односторонние стыковые швы со сквозным проплавлением кромок. Сварка угловых швов таврового и нахлесточного соединений вызывает значительные затруднения из-за пористости металла шва.
Высокая теплопроводность меди (в 6 раз выше, чем у железа), что предопределяет необходимость применения концентрированных источников нагрева и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева основного металла при сварке.
Высокий коэффициент линейного расширения меди и ее сплавов (для меди коэффициент линейного расширения в 1,5 раза больше, чем у стали), что предопределяет необходимость принятия дополнительных мер против деформации конструкций.
Повышенная жидкотекучесть металла затрудняет сварку меди в вертикальном и особенно в потолочном положении. Встречаются трудности также при сварке кольцевых швов.
666
Таблица 11-12Таблица 11-12Режимы электродуговой сварки стыковых соединений меди графитовым электродомРежимы электродуговой сварки стыковых соединений меди графитовым электродомПри изготовлении сварных конструкций из меди наибольшее распространение получили следующие способы электрической сварки плавлением: электродуговая угольным электродом, плавящимся покрытым электродом, под флюсом и в защитных газах В последние годы для сварки изделий из тонколистовой меди и ее сплавов находит применение электроннолучевая сварка, а для сварки меди большой толщины — сварка сжатой дугой.
Таблица 11-12
Таблица 11-12
Режимы электродуговой сварки стыковых соединений меди графитовым электродом
Режимы электродуговой сварки стыковых соединений меди графитовым электродом
Электродуговая сварка угольным электродом. Этот вид
сварки находит ограниченное применение преимущественно для малоответственных изделий. Сварка осуществляется вручную угольным, чаще графитовым электродом постоянным током прямой полярности. Плотность тока на электроде обычно составляет 200—400 А/см2 (табл. 11—12). Углекислый газ, выделяющийся при сварке, недостаточно защищает расплавленный металл от окислений. Поэтому применяют присадочный металл с раскислителем— фосфором, а также флюс (94—96% прокаленной буры, 6—4% металлического магния). Флюс наносят на смоченную жидким стеклом поверхность прутка или на свариваемые кромки в виде пудры и просушивают на воздухе
При толщине металла до 5 мм стыковые соединения сваривают без разделки кромок, металл большей толщины —■ с разделкой кромок под углом 70—90°. Сборку деталей под сварку ведут на графитовой или асбестовой подкладке с зазором между свариваемыми кромками не более 0,5 мм В процессе сварки электрод наклоняют углом вперед на 10—20° к вертикали. После сварки рекомендуется проковка швов. Соединения из металла толщиной до 5 мм проковывают без подогрева, при большей толщине металла — с подогревом до температуры 800° С и последующим быстрым охлаждением.
Стыковые швы рекомендуется сваривать в один слой с одной стороны. Повторное воздействие термического цикла сварки на металл шва, наблюдаемое при сварке многослойных и двусторонних швов, приводит к снижению его прочности.
Сварка вручную покрытыми электродами. Для сварки применяют электроды ЗТ и «Комсомолец 100». В электродах «Комсомолец 100» в качестве стержня использована медная проволока Ml и М2; в электродах ЗТ — стержень из бронзы Бр.КМцЗ-1.
Сварку меди покрытыми электродами ведут постоянным током обратной полярности. Без подогрева и разделки кромок свари-
вают медь толщиной до 4 мм. При толщине металла 5—10 мм необходимы предварительный подогрев до температуры 250—300° С и односторонняя разделка кромок с углом 60—70° и притуплением кромок 1,5—3 мм. При больших толщинах рекомендуется Х-об- разная разделка. На меди толщиной более 20 мм хорошее качество швов можно получить при подогреве металла до температуры 700—750° С.
Сварку выполняют короткой дугой электродами диаметром 4—6 мм без колебаний конца электрода. Силу сварочного тока подбирают в зависимости от диаметра электрода: /св = 50d3„. Стыковые соединения сваривают на графитовых или металлических подкладках.
Механические свойства металла шва и сварного соединения на меди, полученного электродами «Комсомолец 100», достаточно высокие: ов = 20—24 кгс/мм2, 6 = 18^-20%, ан = 6—8 кгс-м/см2, угол изгиба 120—180°. Однако электропроводность шва составляет лишь 20—22% такого же показателя для основного металла. Значительное повышение электропроводности шва до уровня 90—95% для основного металла достигается при сварке в среде инертного газа с присадкой, а также под флюсом. Это обусловлено добавкой в металл шва лишь небольших количеств кремния (около 0,2%).
Сварка под флюсом. Автоматическая сварка меди под флюсом имеет ряд важных преимуществ по сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами. Главное из них — возможность выполнения сварки без предварительного подогрева свариваемых кромок благодаря тому, что дуга горит во флюсовом пузыре и потери теплоты на излучение минимальны. Кромки подогревают только для начала сварки.
Сварку меди под флюсом производят постоянным током обратной полярности с применением плавленых флюсов АН-20, АН-26, а также АН-348-А и ОСЦ-45 (для металла толщиной до 20 мм), а также керамического флюса ЖМ-1 и сварочной проволоки Ml и М2. В отдельных случаях используют сварочную проволоку из бронзы марки Бр КМцЗ-1. Швы, сваренные этой проволокой, обладают высокой прочностью, однако имеют пониженную теплопроводность и электропроводность.
Сварку стыковых соединений выполняют без разделки кромок и без зазора, за один проход с полным проваром. При толщине металла более 15 мм рекомендуется применять сдвоенный (расщепленный) электрод (табл. 11-13). Такое расположение электродов обеспечивает полное проплавление стыкуемых кромок, улучшает формирование швов и при общей ванне расплавленного металла позволяет избежать образования в сварном шве пор, шлаковых включений и кристаллизационных трещин.
На рис. 11-12 показана макроструктура соединения меди Ml толщиной 30 мм, сваренного под флюсом АН-26 двумя сварочными проволоками диаметром 5 мм на режиме: сила сварочного тока
668
Таблица 11-13
Режимы автоматической сварки меди под флюсом
Толщина металла, мм
Диаметр электрода,
Расстояние между электродами, мм
Ав
А
Уд’ в
усв- »/ч
6
4
520-
540
40—42
40
8
4
—
600-
620
40—42
40
10
5
—
700-
720
42—44
23
12
5
—
800-
820
42—44
16
18
4
12
1050-
1100
44—46
10,8
22
4
18
1200-
1250
46—48
9,3
30
4
24
1650-
1700
46—48
6,3
1150—1200 А, напряжение дуги 48—50 В, скорость сварки 5,3 м/ч.
При сварке меди Ml толщиной 20—30 мм сварочной проволокой такой же марки под флюсом АН-26 металл шва характеризуется такими свойствами: ств = 17-^19 кгс/мм2, от = 8 — —9 кгс/мм2, 6 = 38-^42%.
Сварка в защитных газах. Сварку меди выполняют неплавя- щимся и плавящимся электродом. В качестве защитных газов для сварки меди применяют аргон, гелий, азот или их смеси. Возможна также сварка меди в среде водорода. Наибольшее распространение получила сварка меди неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне высокой чистоты марок А и Б по ГОСТ 10157—62 (табл. 11-14). Металл толщиной более 4 мм сваривают с предварительным подогревом до температуры 800° С. Чем больше тол-
Рис. 11-12. Макроструктура однопроходного сварного соединения меди Ml
669
Режимы сварки стыковых соединений меди неплавящимся электродом в среде аргона
к 2 s 5
55
о о S
Н S S
Подготовка кромок
2 щ 5 О
S 4
* о F X
3 ЕС о
С
Ь g 0 2 5 о с s'
о ^ с а =;
С
Ki я
8 О S и Е 2 ” сь-— а го s
2
1
—
3
200—230
4—6
3
L_1
1
3
250—280
4—6
4
2
—
3
260—300
6-8
6
3
1-й
3
250—300
6—8
2-й
4
300—350
6—8
Подварочный
4
300—350
6—8
7040й
10
4
1-й
3
300—350
6—8
2-й
5
350—400
8—10
3-й
5
350—400
8—10
Подва-
3
300—350
8—10
рочный
12
5
1-й
3
300—350
6—8
2-й
5
350—400
8—10
3-й
5
350—400
8—10
4-й
5
350—400
8—10
Подва-
3
300—350
6—8
рочный
щина металла, тем выше должна быть температура предварительного подогрева.
В качестве присадочного металла применяют сварочную проволоку из хромистой бронзы Бр.Х07 или бронзы Бр.КМцЗ-1. Основной и присадочный металлы очищают травлением в растворе, состоящем из 75 см3/л азотной кислоты, 100 см3/л серной кислоты и 1 см3/л соляной кислоты.
Для повышения качества шва при сварке в среде защитных газов рекомендуется применять флюсы на основе борного ангидрида с добавками раскислителей (алюминиевый порошок, феррофосфор, ферромарганец и др.).
Сварку плавящимся электродом выполняют постоянным током обратной полярности. Широкое распространение для меди толщиной более 4—5 мм получает многослойная полуавтоматическая сварка проволокой малого диаметра (1,2—2,4 мм). Сила сварочного тока достигает 400 А. Металл толщиной до 10 мм можно сва-
ривать лишь с подогревом в начале шва (иногда достаточно до температуры 200—300° С). Детали большей толщины сваривают с начальным и сопутствующим.подогревом. При сварке используют проволоку из бронзы Бр.КМцЗ-1.
Сварка сжатой дугой. Это эффективный способ соединения деталей из меди больших толщин (30—40 мм и более), что обусловлено возможностью введения в сварочную ванну тепловых потоков весьма большой величины без ухудшения условий формирования сварного шва и нарушения стабильности горения дуги.
Сварку сжатой дугой меди больших толщин осуществляют без разделки кромок, с двух сторон. В табл. 11-15 приведены механические свойства сварного стыкового соединения из бронзы Бр. Х08 толщиной 40 мм, полученного сжатой дугой (режим сварки: сила тока 1100—1200 А, напряжение сжатой дуги 55—60 В, скорость сварки 3 м/ч).
Электроннолучевая сварка. Электроннолучевая сварка меди в основном применяется при изготовлении электровакуумных приборов (табл. 11-16). В этом случае обеспечиваются высокие физико-механические свойства соединений, в том числе вакуумная плотность.
Электроннолучевая сварка меди связана с определенными затруднениями, главные из которых — интенсивное испарение металла в вакууме и необходимость значительного тепловложе- ния из-за высокой теплопроводности.
При превышении определенного значения удельной мощности в пятне нагрева получить удовлетворительное качество сварного соединения меди не удается. Поэтому для меди разработана специальная техника сварки. Так, сварку меди толщиной до 2—-3 мм выполняют неостросфокусированным пучком, или перефокусированным, т. е. с расположением фокуса пучка несколько выше уровня поверхности изделия.
Сварка сплавов на основе меди. Основной трудностью сварки латуни является то, что в процессе сварки цинк значительно испа-
Таблица 11-15Таблица 11-16
Механические свойстваРежимы сварки меди
стыкового соединения из бронзыБр.Х08,электроннолучевым способом
полученного сжатой дугой.
Металл
°в.
кге/мм2
6, %g S
а 5
М с
>> и *
о 5
” У S и Ч
О $ о я
О Я*
и 5
Основной
Шов
Околошовная зона . . .
Сварное соединение . . .
П'р и м е ч а н и е. Уг образцов толщиной 40 мм 1
23
26,2
24,5
25,8
ол нзгнба 30°.
1м м
25н^
26,5,
—2
4
сварных6
14
16
18
20
70
120
200
250
20
20
18
18
ряется и сгорает, что снижает содержание цинка в металле шва и ухудшает его качество (появляется пористость, снижается прочность). Особенно интенсивно цинк выгорает из электродного металла. При этом загрязняется окружающее пространство вредными для здоровья человека парами цинка и его окислов.
Латунь небольшой толщины сваривают графитовым электродом на постоянном токе прямой полярности короткой дугой без присадки с погружением конца электрода в расплавленный металл. При этом дуга горит в пузыре, образующемся вокруг электрода из паров цинка. Такой метод ведения сварки снижает угар цинка. С увеличением количества цинка в латуни длину дуги уменьшают, что ведет к уменьшению испарения и выгорания цинка. Так, для латуни Л90 рекомендуется поддерживать длину дуги около 20 мм, а для латуни ЛК80-3 — не более 8 мм.
При сварке латуней толщиной более 10 мм необходим предварительный подогрев до температуры 300—350° С. Для предотвращения прожогов используют подкладки. При толщине металла 3—16 мм сварку ведут с разделкой кромок под углом 70° с небольшим притуплением (1,5—2 мм). При сварке листов толщиной более 16 мм применяют рюмкообразную разделку кромок.
При сварке латуни графитовым электродом используют флюсы. Получил распространение флюс следующего состава: 35% криолита, 12,5% натрия хлористого, 50% калия хлористого, 2,5% древесного угля. Флюс наносят на стержни из присадочного металла марки ЛК80-3 диаметром 6—8 мм. Сварные соединения, выполненные с такой присадкой, отличаются высокими механическими свойствами. Так, на сплавах Л63 и ЛО62-1 ств сварного соединения 36—40 кгО/мм2, угол изгиба 170—180°.
Сварка покрытыми электродами находит применение в основном для исправления брака литья. При такой сварке наблюдается наиболее интенсивное по сравнению с другими способами испарение и выгорание цинка. Сварку покрытыми электродами следует применять в том случае, когда не могут быть использованы другие способы сварки — угольным электродом, под флюсом, в среде защитных газов.
Для сварки латуни применяют электроды с покрытием ЗТ. В связи со значительным содержанием плавикового шпата в покрытии сварку ведут постоянным током обратной полярности. Сварку выполняют без колебаний конца электрода при возможно более короткой дуге, что снижает угар цинка. Под стыком устанавливают прокаленную асбестовую подкладку. Зазор между свариваемыми кромками 0,5—1,5 мм. При толщине металла до 4 мм сварку ведут без разделки кромок. При большей толщине металла (4—10 мм) выполняют V-образную, а при толщине металла более 10 мм Х-образную подготовку кромок с углом раскрытия 60—70°.
Для автоматической сварки латуни используют сварочную проволоку из бронзы Бр.ОЦ 4-3 и флюс АН-20. Временное сопро-
672
1ивление сварных соединений из латуни Л62, ЛМц58-2, ЛО62-1, ЛС59-1 толщиной 4—12 мм, выполненных с использованием таких материалов, составляет 25—35 кгс/мм2, угол изгиба до 180°.
Сварку латуни в среде защитных газов можно выполнять вольфрамовым и плавящимся электродами. В качестве присадочного материала используют прутки из бронзы Бр.ОЦ4-3 и Бр.КМцЗ-1, а также латунную проволоку ЛК62-0.5 (38% Zn, 0,5% Si).
Предварительный подогрев необходим лишь при сварке латуни толщиной более 10 мм и при сварке деталей, резко отличающихся по толщине свариваемых кромок. В этом случае подогревают деталь большей толщины.
Бронзы разделяют на деформируемые и литейные. К первым относят сплавы с содержанием до 6—7% Sn (оловянные деформируемые бронзы) или до 6—8% А1 (безоловянные деформируемые бронзы). Ко вторым относятся сплавы с большим содержанием легирующих элементов. Свариваемость бронз зависит от их состава. Деформируемые бронзы в изделиях толщиной до 4 мм сваривают всеми способами дуговой сварки без предварительного подогрева.
Литейные бронзы сваривают с подогревом. Чрезмерный подогрев вреден, в особенности при сварке оловянных бронз. Он может вызвать плавление избыточного олова, расположенного по границам зерен, и вследствие этого разрушение свариваемой детали. В большинстве случаев бронзы сваривают угольным или покрытым электродом. В качестве присадки или электродного стержня используют бронзы того же состава, что и свариваемый металл. Флюсы и покрытия для сварки оловянных бронз изготовляют на борной основе.
Для сварки безоловянных бронз используют флюсы, содержащие хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов и криолит, удаляющие окись алюминия либо препятствующие ее образованию.
11-6. Никель и его сплавы
Высокая стойкость против коррозии в ряде агрессивных сред, жаропрочность, большое омическое сопротивление и некоторые другие специальные свойства никеля и его сплавов обусловливают применение этих материалов в химическом машиностроении, электрохимической и других отраслях промышленности. При изготовлении сварной аппаратуры для химической промышленности используют преимущественно никель марки НО (не менее 99,93% Ni). В среднем для этого никеля в отожженном состоянии временное сопротивление 38—45 кгс/мм2, относительное удлинение 32—50%. В сварных изделиях применяют сплавы никеля с медью, хромом, алюминием и другими элементами.
По технологии и Технике сварки никель и его сплавы близки к стали и особенно к коррозионностойкой. При выборе метода и разработке технологии сварки наряду с предотвращением дефектов металлургического характера (пор и кристаллизационных трещин) необходимо особое внимание уделять получению требуемых эксплуатационных свойств соединений. При изготовлении никелевых конструкций наиболее широкое применение получила аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом. Этот метод благодаря большой универсальности и обеспечению высокого качества соединений вытесняет ручную дуговую сварку покрытыми электродами, газовую сварку и даже сварку под флюсом. В малом объеме применяется также аргоно-дуговая сварка плавящимся электродом. Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом осуществляется постоянным током прямой полярности.
Вредными примесями в никеле являются кремний, железо, медь, сера, висмут, свинец, фосфор, цинк, кадмий.
Главной причиной появления кристаллизационных трещин в металле никелевого шва является образование легкоплавкой сульфидной эвтектики №—NiS. Поэтому в основном металле содержание серы ограничивается 0,001%, что в 10—50 раз ниже, чем допустимое содержание ее в стали. Наличие марганца, связывающего серу в тугоплавкое соединение MnS, ослабляет ее вредное влияние. На этом основано применение присадочных проволок НМц2,5 и НМц5, содержащих около 2,5 и 5% Мп соответственно.
Введение марганца в никель снижает его коррозионную стойкость в щелочных средах. Поэтому использование подобных проволок допустимо только в тех случаях, когда содержащие марганец никелевые швы удовлетворяют требованиям эксплуатации. Весьма эффективно введение в проволоку небольших количеств титана для борьбы с трещинами в металле шва.
В отношении пористости швов никель существенно отличается от алюминия и меди, а также от железа (стали), с которыми он находится в одной подгруппе периодической системы элементов. Наиболее чувствителен никель к образованию пор при наличии азота. Уже содержание 0,05% азота в аргоне может вызвать пористость. Тот же эффект получается при наличии в аргоне 2% кислорода или еще большего количества водорода. Однако при малом содержании водород может уменьшать пористость, вызываемую азотом, усиливая кипение сварочной ванны до ее затвердевания.
11-7. Химически активные тугоплавкие металлы (цирконий, ниобий, тантал, молибден и др.)
В связи с развитием новых отраслей техники расширяется применение тугоплавких металлов и сплавов на их основе: циркония, ниобия, тантала, молибдена и др. Эти металлы
674
обладают высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред и другими специальными свойствами.
При сварке тугоплавких металлов возникают серьезные затруднения, вызываемые их высокой температурой плавления, большим сродством к газам атмосферы при повышенных температурах, охрупчивающим действием этих газов (прежде всего кислорода), склонностью к росту зерен при нагреве и др.
На основании выполненных за последние годы исследований свариваемости таких металлов их можно условно разделить на две группы. В первую группу удовлетворительно сваривающихся плавлением металлов можно отнести цирконий, ниобий, тантал и ванадий. Металлы второй группы — молибден, вольфрам и хром — свариваются значительно хуже. Сварные соединения этих сплавов весьма склонны к образованию трещин, малопластичны при нормальной температуре.
Сплавы на основе тугоплавких металлов, полученные методом порошковой металлургии, плохо свариваются: в швах образуются поры, сварные соединения склонны к образованию трещин. Поэтому для сварных конструкций применяют металлы и сплавы, выплавленные в контролируемой атмосфере инертных газов (дуговой метод плавки) или в вакууме (электроннолучевой метод плавки).
Уменьшение содержания вредных примесей в исходном металле — одна из основных задач металлургии химически активных тугоплавких металлов. Весьма важно в процессе сварки исключить загрязнение металлов примесями внедрения. Поэтому для соединения рассматриваемых металлов применяют методы электро- дуговой сварки в среде инертных газов, главным образом в камерах с контролируемой атмосферой, и электроннолучевую сварку.
Дуговую сварку неплавящимся электродом выполняют постоянным током прямой полярности. Повышенные требования предъявляются к чистоте инертных газов. Перед заполнением камер газ подвергают очистке от влаги пропусканием через силикагель марки КСМ и ШСМ (ГОСТ 3956—54) и алюмогель. Применяют также разные методы дополнительной очистки газа от кислорода, из которых наиболее простой — пропускание газа через нагретую до температуры 900—1000° С титановую стружку или губку.
Для тугоплавких металлов в ряде случаев отдают предпочтение гелию, так как при гелие-дуговой сварке эффективная мощность дуги значительно больше, чем при сварке в среде аргона. Помимо этого содержание вредных примесей ■—■ газов в гелии может быть доведено при очистке до меньших величин, чем при очистке аргона. Чтобы избежать загрязнения шва, сварку, как правило, выполняют неплавящимся электродом без присадки. Поэтому применение находят в основном стыковые и нахлесточные соединения без разделки кромок. При сварке вне камеры необходимы специальные устройства для защиты зоны сварки, осты-
вающих участков шва и околошовной зоны, а также обратной стороны шва.
Так как наиболее совершенная защита шва от газов атмосферы достигается при электроннолучевой сварке в вакууме, этот метод наиболее эффективен для соединения химически активных тугоплавких металлов. Большое значение имеют также и другие преимущества данного метода и в первую очередь возможность получения узких зон расплавления и термического влияния и благодаря этому малых деформаций.
Так, при электроннолучевой сварке молибдена ширина шва в 2—2,5 раза меньше, чем при дуговой сварке неплавящимся электродом (табл. 11-17).
Электроннолучевую сварку выполняют при давлении в рабочем объеме камеры не выше 10~5—10-4 мм рт. ст. Предпочтения заслуживают системы откачки с безмасляными вакуумными насосами (например, титановыми).
Подготовка деталей из тугоплавких металлов под сварку требует особой тщательности. Соединяемые кромки и прилегающие к ним околошовные участки до сварки необходимо очищать от загрязнений и подвергать травлению в специальных реактивах для удаления поверхностных пленок окислов и обезжиривания. Так как расслоения на кромках могут служить источником дополнительных загрязнений сварного шва, кромки необходимо тщательно осматривать и удалять шлифованием обнаруженные расслоения. Должны быть обеспечены минимальные зазоры и смещения кромок.
Во многих случаях существенное влияние на качество швов оказывает тепловложение при сварке. В связи с этим для каждого изделия в зависимости от типа соединения и толщины металла следует выбирать оптимальные параметры процесса сварки.
Сварка циркония. Цирконий по свариваемости близок к титану. Поэтому для него применимы та же техника сварки и практически те же режимы, что и для титана. Перед сваркой кромки деталей подвергают травлению в растворе, состоящем из 45% HNO3, 10% HF и 45% Н2О.
Таблица 11-17
Размеры структурных участков соединения из молибдена толщиной 3 мм, сваренного разными способами
Сварка
Максимальная ширина участка, мм
Общая ширина участков металла, претерпевших структурные изменения
Шов
Околошовиая
Электродуговая неплавя
щимся электродом . . .
Электроннолучевая . . . .
4,2
1,5
2,1
0,8
8,4
3,1
Прочность соединений из технического нелегированного циркония близка к таким же свойствам основного металла. Однако пластические свойства швов на цирконии и особенно его сплавах, выполненных автоматической дуговой сваркой в среде инертного газа без присадки, заметно снижаются по сравнению с пластичностью металла (табл. 11-18).
Сварка ниобия. Для обеспечения удовлетворительной свариваемости ограничивают содержание в металле вредных примесей — газов. Так, в сплаве ВН-2АЭ, выплавленном электроннолучевым методом (Мо—3,5—4,7%; Zr—0,5—0,9%; Mb — основа), допускается следующее предельное содержание примесей (% по массе): 0,0202; 0,03N2; 0,005Н2. Травление кромок перед сваркой производят в реактиве следующего состава: 22% HF; 8% НМО3; 15% H2SO4; 55% Н3О.
В табл. 11-19 приведены режимы дуговой сварки тонколистового ниобия и его сплава с танталом и вольфрамом в камере с контролируемой атмосферой (избыточное давление 0,1 ат, предварительный вакуум 1-10“ 4 мм рт. ст.), а также механические свойства сварных соединений.
Технология сварки тантала. Для очистки кромок тантала перед сваркой хорошие результаты дает травитель: 90% HF и 10% HNO3.
При сварке плавлением технического тантала и некоторых его сплавов с ниобием, ванадием и вальфрамом сварные соединения получаются пластичные и равнопрочные с основным металлом. Режимы сварки тантала приведены в табл. 11-20.
Таблица 11-18
Механические свойства стыковых соединений из циркония и его сплавов
Сплав
Метод сварки
2 2
Р О О Н 2
Основной металл
Сварное соединение
2 и
2
2
Технический цирконий
В камере с гелием
3,2
47,1
22
46,7
12
Zr + 2,5% Sn
Струйная защита гелием
3,2
48,7
25
51,3
16
В камере с гелием
3,2
48,7
25
51,7
15
Zr + 5% Sn
То же
3,2
60,5
12
63,2
4
Zr 4- 3% Nb -4+ 1% Sn
В камере с аргоном
0,9
52
21
66
10
Таблица 11-19
Режимы сварки и свойства стыковых соединений ниобия и его сплава
Металл
Толщина и состояние металла
Режим сварки
<ТВ, кгс/мм2
Основной металл
Сварное соединение
Технический ниобий
6 = 0,8 мм, деформированный
Скорость сварки 30 м/ч; сила тока
125 А; напряжение дуги 10 В
70,0
50,1
То же, отожженный при 1200°С 1 ч
Скорость сварки
50 м/ч; сила тока
170 А; напряжение дуги 10 В
55,8
49,7
Сплав Nb— 3% Та—6% W
6=1 мм, деформированный
Скорость сварки
30 м/ч; сила тока
185 А; напряжение дуги 10 В
77,5
53,5
Примечание. Угол изгиба основного металла н сварных соединений не менее 180°.
Прочность сварного шва тонколистового технического тантала (толщиной 1,5—2 мм) составляет около 50 кгс/мм3 при угле изгиба 180°.
Сварка ванадия (табл. 11-21). Прочность сварных швов технического ванадия и некоторых его сплавов (например, V — 12% W) близка к прочности основного металла. Угол изгиба основного металла и сварного соединения 180°.
Технология сварки молибдена и его сплавов. Перед сваркой кромки деталей из молибдена подвергают травлению в растворе
Таблица 11-20
Режимы автоматической сварки тонколистового тантала неплавящимся электродом
Толщина металла.
Диаметр электрода,
7СВ’ А
UK В
°св- м/4
Расход аргона, л/мнн
на зону сварки
на обратную сторону шва
0,3
1,0
45—60
8—10
35—40
12—14
3—4
0,5
1,0
70—80
8—10
30—35
12—14
3—4
1,0
1,5
130—140
10—12
25—30
14—16
4—5
1,5
1,5
160—180
12—14
25—30
14—16
4-5
Таблица 11-21
Режимы сварки стыковых соединений ванадия
Сварка
Толщина металла, мм
7СВ’ А
Ид. в
ИСВ' м/4
Аргоно-дуговая непла-
1
140
9—10
50
вящимся электродом
2
320
16—18
50
Электроннолучевая
1
0,06—0,67
12 500—12 900
60
2
0,09—0,010
12 500—12 900
60
фосфорной и азотной кислот (1 : 1), разбавленном водой до плотности 1,37—1,38. Молибденовые сплавы, свариваемые плавлением, должны содержать кислорода не более 0,001% по массе (табл. 11—22).
При сварке плавлением технического молибдена сварные швы имеют крупнокристаллическое строение (рис. 11-13, а), что обусловливает их хрупкость. Склонность сварных швов молибдена к хрупкому межкристаллитному разрушению при нормальных температурах может быть существенно уменьшена путем легирования их определенными элементами в количествах, достаточных для создания пересыщенного твердого раствора при высоких температурах и выделения второй мелкодисперсной фазы в процессе кристаллизации сварного шва.
Поэтому для сварных изделий применяют только низколегированные сплавы на основе молибдена с добавками элементов, раскисляющих и модифицирующих металл (углерода, циркония, титана, ванадия, ниобия и др.). На рис. 11-13, б показана микроструктура сварного шва на сплаве ЦМ-2А.
Толщина металла,
7св' мА
Ускоряющее напряжение, кВ
°св. м/ч
1
70—900
18—20
60 1
2
100—120
20—22
40 j
3
200—250
20—22
30 j
Таблица 11-22Таблица 11-22Режимы электроннолучевой сварки молибдена и его низколегированных сплавовРежимы электроннолучевой сварки молибдена и его низколегированных сплавовПрочность сварных швов молибдена, как правило, ниже прочности основного металла. Повышение прочности и пластичности металла шва достигается применением легированной присадки, например из сплава 50% Мо—■ 50% Re. В табл. 11-23 приведены данные о прочности стыковых соединений из низколегированного молибденового сплава ВМ-1 (системы Мо—С—Zr—W) толщиной 1 мм.
Таблица 11-22
Таблица 11-22
Режимы электроннолучевой сварки молибдена и его низколегированных сплавов
Режимы электроннолучевой сварки молибдена и его низколегированных сплавов
Пластичность сварных соединений из известных молибденовых сплавов при нормальной температуре невелика. Так, например, угол изгиба соединения из сплава ВМ1 толщиной 1 мм не превышает 60°. При повышении температуры пластичность соединений возрастает. В рассматриваемом
Рис. 11-13. Микроструктура стыковых соединений из металла толщиной 1 мм, полученных электроннолучевой сваркой; X 100:
а — технический молибден;б — сплав молибдена с 0,1% С
примере угол изгиба соединения достигает 180° при нагреве до 200° С.
Весьма сложной задачей является получение достаточно пластичных соединений при сварке плавлением молибденовых сплавов с критической температурой перехода швов в хрупкое состояние, близкой к такому же показателю для основного металла. Для ее решения идут, с одной стороны, по пути создания удовлетворительно свариваемых сплавов на основе молибдена, обладающих повышенной пластичностью и вязкостью и в минимальной степени загрязненных вредными примесями — газами, и с другой, по пути изыскания оптимальных условий сварки таких сплавов, включающих выбор термических циклов сварки, присадочных материалов и др.
Таблица 11-23
Прочность стыковых соединений, выполненных сваркой плавлением
Сварка
Температура испытаний, °C
кгс/мм2
Аргоно-дуговая в камере неплавящимся
20
41,5
электродом без присадки
1000
33,5
То же с присадкой из сплава 50% Мо—
20
62
50% Re
1000
34 ,
20
39
Электроннолучевая без присадки
1200
33,5
1500
22
1600
14
Сварка вольфрама. Сварные соединения вольфрама при нормальной температуре хрупки и весьма склонны к образованию трещин. Поэтому сварку выполняют с предварительным подогревом основного металла до температуры не менее 500° С. Чтобы предупредить образование трещин, детали рекомендуется сваривать без их жесткого закрепления. Пластичность сварных соединений вольфрама можно несколько повысить после термообработки: нагрев до температуры 1800° С, выдержка 1 ч, охлаждение с печью.
Сварка хрома. При нормальной температуре сварные соединения малопластичны. Временное сопротивление соединений тонколистового технического хрома (6 = 1-4-2 мм) достигает 30 кгс/мм2 (прочность основного металла около 40 кгс/мм2) при относительном удлинении до 7%. При электроннолучевой сварке хрома встречаются затруднения вследствие сильной возгонки хрома в вакууме, что вызвано высокой упругостью его паров, достигающей при плавлении около 60 мм рт. ст. В связи с этим для сварки хрома требуется создавать разрежение в камере с давлением не выше (6-н8)-10~ 6 мм рт. ст.
§ 11-8. Разнородные металлы
Оптимальные эксплуатационные свойства ряда конструкций можно получить, применяя составные комбинированные узлы из разнородных металлов. В этом случае наиболее полно реализуются преимущества каждого из них и экономятся цветные металлы. Естественно, сварка разнородных металлов представляет более сложную задачу, чем сварка однородных.
Количество относительно легкосвариваемых сочетаний разнородных металлов весьма ограничено. К числу таких сочетаний относятся композиции металлов, дающих полную или достаточно широкую область взаимной растворимости в твердом состоянии, например, медь — железо, титан — ванадий, алюминий ■— серебро. Между тем уже сейчас необходимо сваривать алюминий и его сплавы со сталью, титаном, медью; титан, ниобий, цирконий и его сплавы — со сталью и другими металлами.
Сварка алюминия со сталью находит применение в судостроении и других отраслях промышленности; палубные надстройки длиной в несколько десятков метров состоят из алюминиевого сплава АМг5, а корпус судна — из стали. Ряд деталей —- трубы, трапы, мачты, леера изготовляют из алюминиевых сплавов и крепят к стальному корпусу. Сталеалюминиевые конструкции можно изготовлять, применяя прокладки-переходники из биметалла сталь—алюминий (или сплава алюминия). По известным технологическим процессам сваривают однородные металлы, например, алюминий с алюминиевой плакировкой биметалла и сталь со стальным слоем биметалла.
Таким способом можно соединять разнородные металлы встык, В тавр, в угол и внахлестку. Режимы сварки однородных металлов
691
выбирают исходя из минимальной погонной энергии, чтобы обеспечить непродолжительный разогрев места контакта сталь—алюминий в биметалле. В случае перегрева данного места происходит интенсивное взаимодействие алюминия со сталью с образованием хрупких интерметаллидов.
Более сложно осуществлять сварку плавлением алюминия и его сплавов со сталью без биметалла. Непосредственная сварка алюминия со сталью, как правило, не дает положительных результатов. Шов получается хрупким вследствие образования интерметаллидов и большого различия физико-химических свойств соединяемых металлов. Удовлетворительное соединение алюминия со сталью возможно с применением цинкового покрытия. Наличие цинка на поверхности стали улучшает растекание алюминиевой присадки. Слой цинка толщиной до 30 мм предварительно наносят на сталь гальванически или горячим погружением.
При аргоно-дуговой сварке оцинкованной углеродистой стали с алюминием временное сопротивление сварного соединения не превышает 9—10 кгс/мм2. При испытании на разрыв образцы разрушаются хрупко по цинковому покрытию, в изломе часто наблюдаются поры. Наличие цинка на поверхности стали не исключает образования значительной интерметаллической прослойки между сталью и алюминием в результате их взаимодействия в условиях сварки.
Лучшие результаты получаются при нанесении на сталь комбинированного медно-цинкового или никель-медь-цинкового покрытия. Отличительной чертой техники выполнения стыковых и нахлесточных сталеалюминиевых соединений является необходимость точного ведения дуги в течение всего процесса сварки по кромке алюминиевого листа на расстоянии приблизительно 1—2 мм от линии стыка. Присадочную алюминиевую проволоку подают либо по линии стыка, либо немного смещенной в ванночку. При смещении дуги в сторону стали возрастает опасность оплавления последней. При избыточном смещении дуги в противоположную сторону возможно несплавление соединяемых металлов. В сущности, описанное соединение стали с алюминием является сваркой-пайкой. Для алюминия оно является сваркой, а для стали — пайкой.
В случае необходимости соединения коррозионностойкой стали, например 0Х18Н10Т, с алюминиевым сплавом техника подготовки поверхности металла усложняется. На сталь наносят слой алюминия. Свариваемое изделие алитируют (покрывают алюминием) в расплаве алюминия А85. Техника сварки сохраняется та же, что и при сварке углеродистой стали с алюминием. Временное сопротивление сварных соединений стали 0Х18Н10Т с алюминиевым сплавом АМц находится на уровне временного сопротивления сплава в отожженном состоянии (11—12 кгс/мм2). Для сплава АМгб временное сопротивление соединения составляет 30—32 кгс/мм2.
Сварка плавлением алюминия с медью представляет сложную задачу. Достаточно наличия 4—5% Си в алюминии, чтобы в металле шва появились горячие трещины. При более высоком содержании меди (6—8% и выше) горячие трещины исчезают, а металл шва становится малопластичным, появляются холодные трещины. Для предупреждения трещин необходимо предотвратить образование хрупкой составляющей и максимально ограничить поступление в шов меди. Достигается это путем придания медной кромке формы, соответствующей изотерме плавления основного металла, а также электролитическим покрытием кромки меди оловом, цинком или серебром, препятствующим непосредственному взаимодействию меди с алюминием. Кроме того, обеспечивается хорошее смачивание твердой меди жидким алюминием.
Технология и техника сварки алюминия с медью такие же, как и при сварке алюминия со сталью. Соединения алюминия с медью обладают хорошей электропроводностью, их прочность близка к прочности алюминия.
Технология сваркив особых условиях
Как правило, технологию сварки конкретных изделий целесообразно выбирать исходя из состава основного металла. Однако имеются исключения из этого правила, когда определяющими при выборе технологии сварки становятся внешние условия. Особенно это относится к сварке под водой, в космических условиях, при пониженных температурах и т. д.
§ 12-1. Сварка под водой
Для подводных работ пока удалось использовать только дуговую сварку плавящимся электродом. Возможна сварка и неплавящимся электродом. Дуговую сварку под водой впервые разработал К. К. Хренов в 1932 г. Способ основан на открытии, что дуга, несмотря на интенсивное охлаждающее действие окружающей воды, нагревает и плавит металл практически столь же легко, как и на воздухе. При соблюдении несложных дополнительных условий дуга горит в воде вполне устойчиво при питании от обычных источников постоянного или переменного тока, применяемых для работ на воздухе. Как правило, используют постоянный ток. Дуга горит в газовом пузыре, образуемом и непрерывно возобновляемом в результате испарения и разложения воды. Устойчивое горение дуги под водой можно объяснить принципом минимума энергии Штеенбека или саморегулированием дуги. Если усилить охлаждение какого-либо участка дуги, то выделение энергии на нем увеличится и компенсирует усиленное охлаждение. У сварочной дуги под водой напряжение на 6—7 В больше, чем на воздухе, этот избыток напряжения компенсирует охлаждающее действие воды.
Для получения устойчивого горения дуги под водой на Электрод из низкоуглеродистой сварочной проволоки наносят толстый слой покрытия, по составу сходного с покрытиями, применяемыми для сварки на воздухе. Слой покрытия должен быть водонепроницаемым: проникшая в покрытие вода испаряется при горении дуги и срывает его, кроме того, идет электролиз воды с бурным выделением водорода, окончательно разрушающий покрытие. Необходимую водонепроницаемость покрытия создают пропиткой его различными лаками.
При горении дуги выступающий конец покрытия образует козырек, способствующий удерживанию газового пузыря вокруг дуги и устойчивому ее горению. Непрерывно образующийся газ поднимается на поверхность воды отдельными пузырьками, преимущественно состоящими из водорода. Дуга испаряет металл и электродное покрытие, пары которых, соприкасаясь с водой, конденсируются и образуют в ней коллоидальный раствор преимущественно окислов железа. Эта взвесь долгое время не осаждается, мешая наблюдению за дугой. Силу тока обычно устанавливают в пределах 180—240 А, напряжение дуги 30—35 В.
Дуга под водой легко расплавляет основной металл и образует валик, отличающийся грубой чешуйчатостью. Глубина расплавления несколько больше, чем при работе на воздухе. Под водой можно выполнять все обычные виды сварных соединений в любом пространственном положении.
Наплавленный металл отличается пониженным содержанием таких легко окисляющихся элементов, как, например, углерод, кремний и марганец, и повышенным содержанием водорода. Зона термического влияния сужена, структура металла шва указывает на ускоренное охлаждение. Металл шва имеет достаточно высокий предел прочности, но низкие угол изгиба, относительное удлинение и ударную вязкость.
Ручная подводная сварка очень трудна для водолаза-сварщика, стесненного тяжелым и неудобным для движений водолазным снаряжением и находящегося в неустойчивом положении при плохой видимости. Поэтому при подводной сварке часты дефекты, не известные при работах на воздухе: смещение с оси шва, пропуски, нерасплавление одной из кромок шва и т. п. Излучение дуги ослабляется слоем воды и сварщик часто может не пользоваться защитным стеклом.
Сварка возможна в пресной речной и соленой морской воде. В последнем случае необходима тщательная изоляция держателя электрода, так как нарушение изоляции может вызвать значительную утечку тока. В морской воде все металлические предметы оказываются соединенными между собой и присоединенными к источнику тока через воду. Можно зажечь дугу на любом металлическом предмете в зоне сварки, хотя бы он и не был присоединен проводом к источнику тока. Основное затруднение при подводной дуговой сварке состоит в том, что человек плохо переносит пре-
бывание под водой. Поэтому главной проблемой сварки под водой является максимальная механизация и автоматизация процесса сварки и сведение к минимуму времени пребывания человека под водой.
Долгое время (1932—1970 гг.) для подводных работ применяли только ручную дуговую сварку штучными электродами. При этом способе затруднительны смена электродов и смыкание шва в местах их смены. Несмотря на примитивность и неудобство, ручную дуговую сварку широко применяют для ремонта подводной части кораблей и судов, прокладки трубопроводов, постройки подводных сооружений и пр. Преимуществом способа является его простота, все оборудование обычное стандартное, электроды легко изготовить. Сварка под водой принципиально возможна и на больших глубинах. С увеличением глубины и давления устойчивость дуги сохраняется, а глубина расплавления металла возрастает. Однако практическое выполнение сварки на сколько- нибудь значительных глубинах, например более 40—50 м, наталкивается на неприспособленность человеческого организма. При глубине 100 м работа почти невозможна.
Со времени разработки способа сварки под водой делались многочисленные попытки механизации и автоматизации процесса. Наиболее существенные результаты в лабораторных условиях достигнуты со шланговыми полуавтоматами, работающими стальной проволокой со вдуванием в зону дуги аргона или углекислого газа или без их вдувания. Имеются также положительные результаты плазменной сварки, но все это не нашло производственного применения.
ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый полуавтомат, работающий специальной проволокой. Металл шва проходит при сварке необходимую металлургическую обработку, улучшающую его химический состав, структуру и механические свойства. Дуга горит весьма устойчиво, отмечается незначительное образование мути, почти не мешающее наблюдению за дугой. Внешний вид швов удовлетворительный, металл шва соответствует нормам для металла, наплавленного электродами типа Э42 на воздухе. Несравненно благоприятнее условия работы сварщика, который работает непрерывно, не меняя электродов. Производительность труда возрастает в несколько раз, значительно выше и качество сварки. Ввиду этого сварку под водой можно применять для изготовления ответственных конструкций.
§ 12-2. Сварка в космосе
Основные отличия космических условий от земных — прежде всего глубокий вакуум (до 10“ 12 мм рт. ст.) при практически неограниченной скорости диффузии газов из зоны сварки; широкий интервал температур, при которых может находиться свариваемое изделие (ориентировочно от +130 до —150° С);
686
невесомость. Кроме этого, ряд второстепенных факторов в определенной степени влияет на качество сварки, например ограниченная подвижность оператора, наличие в окружающем пространстве различного рода излучений и т. д.
При выборе наиболее перспективных для космоса методов сварки следует руководствоваться общепринятыми для космической техники критериями оценки (например, высокая надежность, малая энергоемкость и малая масса оборудования) и специфически сварочными критериями (работоспособность в космических условиях, универсальность метода, простота и безопасность оборудования в обращении, возможность выполнения не только сварки, по и резки и т. д.).
Из всего многообразия существующих способов сварки по этим критериям на первом этапе отобраны следующие: электроннолучевая; дуювая принудительно сжатой дугой плавящимся и не- плавящимся электродом; контактная; холодная; диффузионная.
На основании накопленного в земных условиях опыта можно было полагать, что такие способы сварки, как диффузионная, холодная и контактная, не связанные с наличием газов в зоне сварки, с интенсивным нагревом и расплавлением больших объемов металла, окажутся вполне работоспособными в условиях космического вакуума и невесомости. Поэтому использование их в космосе не потребует проведения каких-либо специальных технологических исследований. Однако область применения этих способов ограничивается малой универсальностью и необходимостью тщательной подготовки свариваемых поверхностей.
В то же время такие достаточно универсальные и простые способы, как электроннолучевая и дуговая сварка, отличаются относительно большим объемом расплавляемого металла и выделением в зоне сварки различных газов и паров, что делает их использование в космосе проблематичным. Поэтому перед опробованием этих способов сварки непосредственно в космосе их необходимо тщательно исследовать в условиях, имитирующих космические.
Имитация одновременно всех отмеченных выше основных особенностей космоса требует чрезвычайно сложного и громоздкого оборудования. Это заставляет проводить исследования в несколько этапов. Влияние глубокого вакуума и перепада температур может быть изучено на Земле в специальных термобарокамерах с большим объемом рабочего пространства. Исследование комплексного влияния вакуума и невесомости необходимо проводить в летающих лабораториях.
Эксперименты подтвердили принципиальную возможность выполнения сварки в вакууме концентрированными источниками нагрева при перепаде температур примерно от ■—50° до -j-60° С. В то же время большой объем вакуумных камер неблагоприятно сказывается на дуговых методах сварки, связанных с подачей плаз аобразующего газа. При большой скорости откачки цосту- 687
лающий из сопла горелки плазмообразующий газ чрезвычайно быстро диффундирует в остаточную атмосферу камеры, осложняя тем самым установление стабильной дуги.
Для исследований в условиях невесомости разработаны и изготовлены специальные испытательные стенды, устанавливаемые в салоне самолета—летающей лаборатории. Они позволяют выполнять сварку в вакууме или в контролируемой атмосфере инертных газов. Многочисленные опыты, проведенные в летающих лабораториях, позволили установить основные технологические особенности сварки в условиях невесомости. По-видимому, существует предельный объем ванны жидкого металла, который может образовывать сварной шов в невесомости при наличии силового воздействия со стороны источника нагрева (электронного луча или сжатой дуги).
Величина этого предельного объема зависит от условий смачивания по границе жидкой и твердой фаз, поверхностного натяжения жидкого металла и давления источника нагрева. При ухудшении смачивания, уменьшении поверхностного натяжения металла и увеличении давления источника нагрева величина этого предельного объема металла уменьшается.
При сварке в невесомости алюминиевых и титановых сплавов, а также нержавеющих сталей концентрированным источником нагрева мощностью до 1,2 кВт сварочная ванна объемом 0,05— 0,07 см3 совершенно устойчива и стабильно образует сварной шов как в вакууме, так и в атмосфере аргона. Это позволяет надежно выполнять в невесомости сварку перечисленных металлов при толщине листов до 3 мм. При электроннолучевой резке этих металлов в невесомости выплавляемый из полости реза металл силой поверхностного натяжения удерживается на кромках реза и кристаллизуется в виде валика или капель.
Дегазация сварочной ванны при сварке в вакууме и невесомости, как правило, не отличается от того, что наблюдается на Земле. Лишь при электроннолучевой сварке сплава АМг-6 в невесомости отмечена несколько повышенная пористость. По-видимому, при небольшом объеме сварочной ванны и интенсивном перемешивании металла давлением источника нагрева влияние невесомости на выделение газов незначительно. Не обнаружено также существенного влияния невесомости на структуру металла шва. Лишь с применением электронного микроскопа можно заметить некоторые отличия в структуре первичных фаз. Процесс сварки плавящимся электродом в невесомости изучали в контролируемой атмосфере аргона при давлении 760 мм рт. ст. и в вакууме с разрежением до 10"" 4 мм рт. ст. Мощность дуги не превышала 1,2 кВт при диаметре электродной проволоки 1 мм. При сварке в аргоне на токе силой 50—60 А со свободным формированием капель электродного металла капли металла могут достигать очень больших размеров, необычных для такого режима сварки на Земле. Например, при сварке в невесомости высоколегированной
стали перенос капли происходит через 3—5 с, что в 15—30 раз реже, чем в обычных условиях при одинаковом режиме сварки. Капли переходят при случайных касаниях металлической ванны, поэтому увеличение длины дуги может привести к получению капель еще больших размеров. Форма капель, как правило, сферическая, что свидетельствует об отсутствии действия на каплю других значительных сил, кроме силы поверхностного натяжения.
При таком крупнокапельном переносе не удается получить качественных швов. Для улучшения формирования швов необходимо применять специальные технологические приемы, обеспечивающие мелкокапельный перенос металла. Это, прежде всего, сварка при малой длине дуги с короткими замыканиями дугового промежутка и импульсно-дуговая сварка. При импульснодуговой сварке обеспечивается высокая частота переноса капель электродного металла, не отличающаяся от наблюдаемой на Земле, а качество сварных швов вполне удовлетворительное. При сварке с короткими замыканиями дугового промежутка в невесомости и вакууме также удается получать хорошие швы. Однако при этом необходимо применять специальные меры принудительной фокусировки дуги.
Приведенные выше данные получены в условиях кратковременной невесомости, обеспеченных в летающей лаборатории. Ввиду того, что за короткое время различные процессы при сварке не успевают стабилизироваться, наблюдался большой разброс в характеристиках сварных швов. Только опыты по сварке в условиях длительной невесомости могут достаточно полно охарактеризовать особенности космоса как среды для сварочных работ.
Такой эксперимент был проведен летчиками-космонавтами Г. А. Шониным и В. Н. Кубасовым на космическом корабле «Союз-6» 16 октября 1969 г. Они подтвердили сделанные ранее предположения и результаты исследований, полученные в летающей лаборатории. Как отмечают академик Б. Е. Патон и летчик-космонавт В. Н. Кубасов: «процесс плавления и резки электронным лучом в космосе протекает стабильно, обеспечиваются необходимые условия для нормального формирования сварного соединения и реза».
Основные параметры режима сварки плавящимся электродом на корабле «Союз-6», а также структура шва и околошовной зоны оставались практически такими же, как при сварке на Земле и в летающей лаборатории, при этом достигнуто необходимое проплавление соединяемого металла. Металл швов плотный, без газовых и шлаковых включений; удаление газов из расплавленного металла в процессе кристаллизации удовлетворительное. Существенных отклонений от заданного химического состава металла шва и переплавленного электродного металла не обнаружено. Исследование дуговой сварки плавящимся электродом показало, что в условиях продолжительной невесомости, несмотря на высокую скорость откачки, возможно образование
44 Заказ № 782 6§§
длительного устойчивого дугового разряда в парах материала электрода.
Сварка плазменной дугой низкого давления в космосе не дала ожидаемых результатов. По-видимому, скорость диффузии плазмообразующего газа в атмосферу корабля превысила ожидаемую и его концентрация в дуговом промежутке оказалась недостаточной для контрагирования сжатой дуги. В то же время высокая скорость откачки газов через люк космического корабля оказала положительное влияние при электроннолучевой резке. Наблюдающееся при этом выделение газов не сказалось на надежности работы электроннолучевого оборудования.
Проведенный эксперимент явился первым шагом сварочной техники в космос. Можно ожидать, что следующие шаги откроют новые возможности и дальнейшие перспективы использования сварки при освоении Человеком космического пространства.
§ 12-3. Сварка при низких температурах
На территории Советского Союза в ряде случаев возникает необходимость проведения сборочных и сварочных работ при температуре окружающего воздуха и начальной температуре свариваемого металла вплоть до —50° С.
Специально проведенные исследования показали, что снижение начальной температуры металла в пределах, наблюдаемых в естественных условиях, не оказывает существенного влияния на механические свойства металла шва. По мере снижения температуры прочность шва несколько повышается, а пластичность снижается, однако абсолютное изменение этих величин невелико. Структура и форма металла шва и околошовной зоны не претерпевают заметных изменений. Понижение температуры приводит к некоторому снижению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин и пор.
Понижение температуры отрицательно сказывается на физиологическом состоянии рабочего, снижая его трудоспособность. Ухудшаются условия работы аппаратуры. Это повышает вероятность возникновения дефектов формирования шва. Со снижением начальной температуры возрастает вероятность хрупкого разрушения конструкции в процессе ее изготовления, монтажа или ремонта. Поэтому необходимо стремиться к выполнению сварочных работ при нормальных температурах или небольших морозах. При больших морозах следует проводить укрупнительную сборку в отапливаемых помещениях, расчленять ремонтируемые узлы на транспортабельные элементы, свариваемые в цехах, широко применять рулонные заготовки и т. п. Сборку и сварку на морозе должны выполнять организации, специально подготовленные для работы в этих условиях.
Сущность дополнительных мероприятий, которые необходимо проводить при сварке на морозе, сводится к следующему. Жела-
690
тельно применять основной металл, специально предназначенный для конструкций, работающих при низких температурах. Такой металл в состоянии поставки имеет повышенную стойкость против перехода в хрупкое состояние и мало изменяет свои свойства в околошовной зоне под воздействием процесса сварки. Транспортировать и хранить металл следует в условиях, исключающих его деформацию и повреждение поверхности.
При проектировании конструкций необходимо избегать резкого изменения сечения сопрягаемых элементов и сосредоточения большого числа швов в одном месте. Это может привести к значительной концентрации напряжений и повысить вероятность хрупкого разрушения в процессе изготовления конструкции при низких температурах. Особое внимание следует обращать на доступность швов, правильный выбор режимов сварки и типа подготовки кромок. Стыковые швы, как правило, должны быть двусторонними. При односторонних стыковых швах необходимо обеспечить возможность полного провара кромок. Применение прерывистых швов и электрозаклепок не рекомендуется.
Следует производить тщательный контроль качества покрытых электродов, флюса и сварочной проволоки и строго соблюдать правила их хранения и подготовки для сварки. Марку электродов, флюсов и сварочной проволоки выбирают в зависимости от конкретных условий. Для ручной сварки во всех случаях предпочтения заслуживают электроды с фтористо-кальциевым покрытием. Хранить сварочные материалы вне рабочего места необходимо в сухом отапливаемом помещении при температуре не ниже 15° С. К рабочему месту покрытые электроды и флюс подают непосредственно перед сваркой в плотно закрывающейся таре. Сварочную проволоку сразу же устанавливают на аппарат.
Сварочное оборудование должно быть специально приспособлено для работы при низких температурах. Механизмы смазывают специальными маслами. Перед работой все применяемые для сварки механизмы (кантователи, сварочные установки и др.) любым способом, не приводящим к их повреждению, разогревают до температуры, при которой обеспечивается нормальная их эксплуатация. Следует применять источники питания постоянного тока.
Рабочий и место сварки должны быть защищены от ветра и осадков. Желательно во всех случаях, где это возможно, оборудовать специальные тепляки. Непосредственно у рабочего места должно быть устройство для обогрева рук. Желательно применение одежды с электрическим подогревом. При температуре воздуха ниже ■—40° С для дыхания сварщика следует подавать подогретый воздух. Периоды работы на морозе необходимо чередовать с периодами отдыха в теплом помещении с температурой 22—24° С. Сварщик, впервые приступающий к работе при низкой температуре, должен пройти специальную тренировку и испытание.
Не следует применять правку деталей в холодном состоянии. В проектное положение элементы надлежит устанавливать без ударов в условиях, предупреждающих деформацию. Подгонку элементов при их сборке желательно выполнять газовой резкой или шлифованием. Вырубку металла зубилом можно проводить только после подогрева. Закреплять детали при сборке желательно струбцинами, стяжками, клиньями и другими временными элементами.
Непосредственно перед сборкой металл в месте наложения шва очищают любым способом от ржавчины, льда, масла и других загрязнений. Прихватки, если они необходимы, выполняет квалифицированный сварщик. Желательна замена прихваток сплошным слоем малого сечения, перевариваемым в процессе выполнения шва.
Кантовать и транспортировать собранную под сварку конструкцию не рекомендуется. В случае крайней необходимости эти операции следует выполнять при закреплении деталей, исключающих их изгиб и нарушение взаиморасположения. Поступающие на монтаж элементы должны быть полностью сварены, проконтролированы и исправлены.
Сварку при низких температурах можно проводить только при отсутствии сильного ветра, снегопада и тумана или при наличии условий, предохраняющих рабочего, аппаратуру и место сварки от их влияния. Для конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей последовательность операций должна обеспечивать сварку швов с минимальным закреплением. В первую очередь сваривают швы, дающие максимальную усадку (например, поперечные стыковые швы). Начало и конец шва следует, как правило, выводить на специальные планки.
Непосредственно перед сваркой место наложения шва должно быть очищено от льда, масла и других загрязнений и особенно тщательно — торцы свариваемых кромок. Все швы заваривают без перерыва. Нельзя прекращать сварку до выполнения проектного размера шва и оставлять незаваренными отдельные его участки.
Сохраняются режимы, применяемые для сварки аналогичных соединений при нормальных температурах. При выполнении участка замыкания круговых швов всех типов и первых двух слоев при сварке многослойных швов (на всем их протяжении) необходим предварительный и сопутствующий подогрев основного металла до температуры 180—200° С. При дуговой сварке многослойных швов на металле толщиной более 60 мм подогревать рекомендуется все слои для повышения стойкости против образования кристаллизационных трещин.
Расчистку корня шва (если она предусмотрена технологическим процессом), осуществляют выплавкой или шлифованием. Удалять металл зубилом можно только после подогрева до температуры
692
166—1206 С. Цель подогрева—поЬышение стойкости металла против перехода в хрупкое состояние.
Швы малого сечения на металле толщиной более 18 мм рекомендуется сваривать с подогревом до температуры 220—240°С для повышения пластичности металла шва. Ручной и полуавтоматический процессы следует выполнять методом сварки горкой. Двусторонние швы рекомендуется сваривать одновременно с двух сторон.
Дефектные участки шва следует заваривать только с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 180— 200° С. Желательно применять те же режимы и способы сварки, которыми выполняли ремонтируемый шов. При заварке дефектных участков вручную предпочтение заслуживают электроды с фтористо-кальциевым покрытием.
Кантовку, транспортировку, погрузку, разгрузку и складирование готовых конструкций и монтажных элементов следует проводить в условиях, исключающих их деформацию и удары. Сбрасывание конструкции при их разгрузке, транспортировка путем волочения, свисание конструкции за пределы транспортных средств недопустимы.
При транспортировке элементов, имеющих гибкие узлы, необходимо применять приспособления, обеспечивающие жесткое закрепление их на время транспортировки и установки. Нельзя проводить правку конструкций в холодном состоянии. В случае необходимости правку выполняют только после подогрева металла. При низкой температуре не следует проводить вальцовку, калибровку и штамповку элементов со сварными соединениями.
13
Технология наплавки
Наплавка — это процесс нанесения при помощи сварки слоя металла на поверхность изделия. Путем наплавки получают изделия с износостойкими, кислотоупорными, жаростойкими, антифрикционными и тому подобными свойствами. Наплавку применяют при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей. В первом случае технический и экономический эффект достигается в результате получения биметаллических изделий с оптимальным сочетанием свойств металлов наплавленного и основного. Примером таких изделий могут служить сосуды атомных энергетических установок, клапаны двигателей внутреннего сгорания, детали газовой, нефтяной и водяной трубопроводной арматуры, конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей и т. п. Наплавка в ремонтном деле эффективна благодаря тому, что восстановленная деталь часто в несколько раз дешевле новой детали и при правильно выбранной технологии восстановления не уступает ей по работоспособности.
Наплавка может быть осуществлена многими способами. Наиболее широко для этой цели применяют различные виды и приемы дуговой сварки.
§ 13-1. Выбор состава наплавленного металла
Современная сварочная техника использует для наплавки сплавы весьма различного состава. Наплавленный металл можно классифицировать по разным признакам: структуре, химическому составу, назначению и т. п. В табл. 13-1 приведен проект классификации наплавленного металла по химическому составу, предложенный Международным институтом сварки (МИС). Каждому типу наплавленного металла соответствует много конкретных составов металла. Наиболее важные из них рассмотрены ниже.
Таблица 13-1
Тип наплавленного металла в зависимости от его химического состава
Тип
о £ gS b 5s
Содержание элементов, %
ой g £ 2 = O. g Q* 5 2 щ S Ck ГО № &£ P*O
с
Мп
Сг
NI
W
V
Мо
Со
Прочие
Нелегированные или низколегированные стали (<0,4% С) . . .
А
s=0,4
0,5—3
0—3
0—3
0—1
40
Нелегированные или низколегированные стали (>0,4% С) . . .
В
>0,4
0,5—3
0—5
0—3
0-1
60
Аустенитные высокомар- ганцевые стали
С
0,5—1,2
11—16
0—1
0—3
0—1
50
Аустенитные хромоникелевые стали . . . .
D
s£0,3
1—8
13—30
5—25
0—1 Ti
0—1,5 Mb
40
Хромистые стали . . .
Е
0,2—2,0
0,3—1,5
5—30
0—5
0—1,5
0—0,5
0—1
45
Быстрорежущие стали
F
0,6—1,5
<0,5
4-6
—
1,5—18
0—3
0—10
0-15
—
62
Высокохромистые специальные чугуны . . .
G
1,5-5
0—6
25—35
0—4
0—5
0—1
0—3
0—5
0—1,5 Ti
0—1,5 В
60
Хромовольфрамовые теплостойкие стали
Н
0,2—0,5
<1,0
1—5
0—5
1—10
0,15—1,5
0—4
45
Кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом
N
0,7—3,0
<0,4
25—33
0-3
3—25
0—3
30—70
<6 Fe
40
Никелевые сплавы с хромом и бором . .
Qa
<1,0
8—18
65—85
1—1,5
2—5 Si
2—5 В
55
Никелевые сплавы с молибденом
^0,12
0—18
60—80
0—20
0,2—0,6
8—35
0—2,5
4—7 Fe
200*
Карбидные сплавы зернистые спеченные
Р
^3
<2,0
—
—
>45
—
—
—
—■
>67
* Твердость по Бринелю {НВ).
Для характеристики наплавленного металла данных только о химическом составе и твердости недостаточно. В зависимости от скорости охлаждения, режима термообработки и, наконец, от ориентации первичных кристаллитов по отношению к разрушающим нагрузкам наплавленный металл одного и того же химического состава обладает разной работоспособностью.
Тип наплавленного металла выбирают на основе анализа условий службы рабочих поверхностей наплавляемой детали. Поэтому важнейшим свойством наплавленного металла является способность его сопротивляться определенным видам изнашивания. Однако пока не существует стандартных методов определения износостойкости материалов, подобных тем, при помощи которых определяют такие характеристики, как предел прочности, ударную вязкость, твердость и т. п. Изнашивание как процесс постепенного изменения размеров детали очень чувствителен к изменению условий внешнего воздействия, т. е. к условиям испытаний. Поэтому в литературе по вопросам износостойкости различных материалов содержится большое количество несопоставимых и противоречивых данных. Кроме того, условия службы различных деталей весьма разнообразны, часто одна и та же деталь подвергается одновременно нескольким видам изнашивания.
Эти обстоятельства, с одной стороны, затрудняют лабораторную оценку износостойкости наплавленного металла, а с другой —• усложняют выбор оптимального металла для определенных условий эксплуатации. Натурные же испытания наплавленных деталей, которые дают наиболее достоверные результаты, очень трудоемки и требуют много времени. Для приближенной оценки износостойкости наплавленного металла ниже приведены данные по износу отдельных типов металла, полученные при помощи сравнительно распространенных методик испытаний. Износостойкость наплавленного металла рассмотрена для типов металла в соответствии с классификацией МИС.
Абразивный износ обусловлен наличием абразивной среды в зоне трения; разрушение поверхностей трения происходит в результате местного пластического деформирования, микроцарапания и микрорезания абразивными частицами. Абразивный износ испытывают многие детали почвообрабатывающих машин, загрузочных и разгрузочных устройств строительных и дорожных машин. Стойкость наплавленного металла против абразивного износа оценивали на машинах Х4-Б и НК, разработанных М. М. Хрущовым, М. А. Бабичевым и Е. С. Берковичем.
Машина Х4-Б (рис. 13-1, а) снабжена вращающимся диском с шлифовальным полотном 1, к которому усилием Р прижат образец 2. Держатель образца имеет специальный привод радиального перемещения. За один оборот диска образец перемещается к центру на величину, равную половине диаметра образца. Машина НК (рис. 13-1, б) имеет неподвижное медное кольцо 3, по которому скользят образцы 4. Образцы закреплены в специальных держав-
Рис. 13-1 Лабораторные машины Х4 Б (а) и НК (б) для испытаний сплавов при абразивном изнашиванииРис. 13-1 Лабораторные машины Х4 Б (а) и НК (б) для испытаний сплавов при абразивном изнашивании
Рис. 13-1 Лабораторные машины Х4 Б (а) и НК (б) для испытаний сплавов при абразивном изнашивании
Рис. 13-1 Лабораторные машины Х4 Б (а) и НК (б) для испытаний сплавов при абразивном изнашивании
ках вращающейся поперечины 5. Медное кольцо расположено на дне кольцевого сосуда 6, в котором находится вода с кварцевым песком. Условия испытаний: удельная нагрузка, нормальная к поверхности изнашивания, 0,1 кгс/мм2, скорость трения —0,6 м/с, средний размер зерен абразива 0,06—0,08 мм (на элек- трокорундовом шлифовальном полотне машины Х4-Б) и 0,05—■ 0,25 мм (на машине НК). В качестве эталона использовали отто- жженную сталь 45, относительную износостойкость е определяли как отношение потери массы образца-эталона к потере массы наплавленного образца.
Как видно на рис. 13-2, наивысшей износостойкостью обладает наплавленный металл типов F и Р, т. е. с высоким содержанием вольфрама. В тип Р включены также композиционные сплавы, полученные пропиткой литого карбида вольфрама вязким сплавом-связкой. Несколько уступает упомянутым типам наплавленный металл типа G, но он значительно дешевле высоковольфрамовых сплавов. Среди сплавов типа G более высокой износостойкостью обладают заэвтектические высокохромистые чугуны с бором.
Рис. 13-2. Относительная износостойкость неплавленного металла при испытаниях па машинах Х4-Б (толстые линии) и НК (тонкие линии)Рис. 13-2. Относительная износостойкость неплавленного металла при испытаниях па машинах Х4-Б (толстые линии) и НК (тонкие линии)697697
Рис. 13-2. Относительная износостойкость неплавленного металла при испытаниях па машинах Х4-Б (толстые линии) и НК (тонкие линии)
Рис. 13-2. Относительная износостойкость неплавленного металла при испытаниях па машинах Х4-Б (толстые линии) и НК (тонкие линии)
697
697
Многие детали (ножи дорожных машин, лемехи плугов, работающие в почве с валунами, била дробилок и т. п.) испытывают абразивный износ с ударами. Интенсивность этих ударов о наплавленную поверхность при эксплуатации весьма неопределенная. Поэтому встречающиеся в литературе термины «незначительные», «умеренные», «значительные» и тому подобные ударные нагрузки условны, так как они не основаны на каких-либо объективных методах испытаний, отражающих реальные условия службы деталей. Наплавленный металл, предназначенный для работы в абразивной среде, условно разделен на три группы, отличающиеся по склонности к выкрашиванию, оцененной на основании опыта эксплуатации наплавленных деталей. Сплавы группы I наиболее, а группы III наименее хрупки; сплавы группы II занимают промежуточное место (табл. 13-2).
Металлы У30Х14СМФ, 70X11НЗ, 70Х20РЗТ и Г13Н4 применяются для наплавки деталей, изготовленных не только из углеродистых сталей, но и из аустенитной стали 110Г13Л.
Газоабразивный износ вызывается механическим действием твердых частиц, перемещаемых потоком газа. Разрушение поверхности происходит в результате срезания, выкрашивания, выбивания и многократного пластического деформирования поверхностных микрообъемов. Этому виду износа подвергаются детали трасс пневмотранспорта, лопатки пылевых вентиляторов и насосов, клапаны, конусы и чаши загрузочных устройств доменных печей, сопла реактивных двигателей, работающих на твердом топливе, и т. п.
Интенсивность изнашивания определяется скоростью, свойствами и формой абразивных частиц, температурой и степенью
Таблица 13-2
Наплавленный металл для деталей, работающих в условиях абразивного износа
Группа
Наплавленный металл (марка наплавочного материала)
I
У30Х23Р2С2ТГ (Т-620); У30Х25РС2Г (Т-590); У50Х40Н2С2Г (УС-25); У45Х35ГЗР2С (ФБХ-62); У25Х26РС2 (КБХ), Х35Р8 (БХ); 70Х20РЗТ (ПП-АН170); У30Х28Н4С4 (ЦС-1, ПЛ-АН101); У25Х20СЗР (ПЛ-АН-102)
II
У20Х12М (ПП-АН-103); У20Х12ВФ (ПП-АН104);
У25Х17Т (ПП-АН124); У20Х15СТР (ПП-АН125);
У30Х14СМФ (ПП-У30Х14СМФ-0); 80Х5В18Ф1 (ОЗИ-1);
У12Х12В12Р (ВСН-8); У19Х19НЗ (ЦС-2)
III
70Х11НЗ (ОМГ-Н); Г13Н4 (ПП-АН105), 25Х5ФМС (ПП-АН130); 25X12 (НЖ-2); 20Г4 (ОЗН-400)
Рис. 13-3. Влияние угла атаки на газоабразивный износ наплавленного металла при испытании кварцем (а) и колошниковой пылью (б):
/ — металлокерамические сплавы Со—WC, остальное см. табл. 13-1.
запыленности газового потока, физико-механическими свойствами изнашиваемого материала и рядом других факторов. Важнейшим кинематическим фактором является угол наклона вектора скорости абразивных частиц к поверхности изнашиваемой детали — угол атаки. Изменение угла атаки сопровождается изменением процесса разрушения поверхностного слоя и скорости изнашивания. Поэтому газоабразивную износостойкость оценивают при регламентированном угле атаки.
На рис. 13-3 показаны некоторые обобщенные данные об износе наплавленного металла, полученные при обдувке образцов запыленным газовым потоком. В качестве абразива использовали кварцевый песок и колошниковую пыль с размером частиц 0,05— 0,4 мм. Концентрация абразива в потоке составляла 10% по массе, скорость абразивных частиц 250—350 м/с, температура потока 400° С. Износ щ выражали отношением объема изношенного материала к объему израсходованного абразива.
При испытании кварцевым песком металл типов А, В, G, D и Н изнашивался примерно одинаково, максимум износа соответствовал углу атаки 30—45°. Высокохромистые чугуны типа С обладают преимуществом только при малых углах атаки, при больших же углах атаки обычная углеродистая сталь изнашивается меньше многих типов высоколегированного наплавленного металла высокой твердости. В широком диапазоне углов атаки высокой износостойкостью обладает композиционный сплав на основе литых карбидов вольфрама при их содержании —50 об. % и размерах частиц карбидов 0,6—1,5 мм. На рис. 13-3, а этот сплав условно отнесен к типу Р.
При испытаниях в тех же условиях колошниковой пылью доменной печи (более мягкий абразив) наиболее распространен-
699
Рис. 13-4. Влияние бора на гидроабразивный износ наплавленного металла, содержащего 0,6—0,8% С и 20—25% Сг
ный тип наплавленного металла G оказался более износостойким, чем типы А, В, D, QB, не только при малых углах атаки, но и при больших (рис. 13-3, б). Поэтому при выборе наиболее износостойкого металла необходимо учитывать не только угол атаки, но и свойства абразива.
Гидроабразивный износ во многом сходен с газоабразивным, но носителем абразивных частиц является не газ, а жидкость.
Гидроабразивному износу подвергаются рабочие колеса и улитки земснарядов и песковых насосов, лопасти и камеры гидротурбин, работающие на реках, несущих большое количество абразивных частиц, а также пульпопроводы гидротранспорта. Интенсивность гидроабразивного износа во многом зависит от условий обтекания
детали жидкостью, которые в конечном счете определяют углы встречи абразивной частицы с изнашиваемой поверхностью.
Для оценки гидроабразивной износостойкости наплавленного металла в улитку насоса земснаряда, разрабатывавшего песчаные почвы (концентрация в воде песка 10—30%), вмонтировали кассету с наплавленными образцами. По потере массы образца судили об износостойкости наплавленного металла. В каждую кассету монтировали также образец-эталон из стали СтЗ. Испытывали наплавленный металл типов В, С, D и G.
Наиболее высокой износостойкостью обладали высокохроми- стые чугуны (тип G). Они в 10—60 раз превосходили износостойкость низкоуглеродистой стали. В доэвтектических чугунах уве
личение количества эвтектики сопровождалось повышением износостойкости. Еще более высокой износостойкостью обладали за- эвтектические чугуны. Максимальная износостойкость была достигнута для сплава, содержащего 0,7—0,8% С и 20—25% Сг, при дополнительном легировании его бором до 3,0% (рис. 13-4). Наплавленный металл типов А, В, С, D обладал низкой износостойкостью и по величине износа мало отличался от обычной низ
коуглеродистой стали. В дальнейшем качественная сторона результатов этих испытаний была полностью подтверждена испытаниями наплавленных деталей землесосов, разрабатывавших песчаные почвы.
Кавитационная эрозия появляется главным образом в результате импульсного механического воздействия гидравлических ударов потока жидкости на поверхность металла. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин.
Наличие коррозионной среды ускоряет процесс кавитационного разрушения. Поэтому для работы в условиях кавитации применяют коррозионностойкие стали.
Высокой стойкостью против кавитационного разрушения обладают хромистые стали с мартенситной структурой (тип Е). Применение этих сталей для наплавки затруднено из-за появления трещин и необходимости предварительного подогрева деталей. Более технологичны аустенитные хромоникелевые стали 18-8 типа D, но более высокой износостойкостью обладают стали с нестабильным аустенитом, который при микроударном нагружении превращается в мартенсит. К сталям с нестабильным аустенитом относятся 30Х10Г10, Х15Н8, Х13Н9 и др. Наличие в структуре 6-феррита снижает кавитационную стойкость, поэтому стали с высоким содержанием хрома (20—25%) хуже противостоят кавитации, чем стали с 13—15% Сг.
Высокую кавитационную стойкость имеют нержавеющие мартенситостареющие стали 0Х12Н5АМ2Т. Эти стали приобретают необходимые свойства в результате воздействия термического цикла сварки и поэтому специальной термообработки не требуют.
Для наплавки гребных винтов из медных сплавов применяют двухфазные алюминиевые бронзы (10—14% А1). В наплавленных высокоалюминиевых бронзах образуется метастабильная Р-фаза, способная под действием микроударных нагрузок превращаться в мартенситоподобную Р'-фазу, обладающую высокими упругими свойствами. Это значительно повышает общую кавитационную стойкость сплава (табл. 13-3).
Термическая усталость — это изменения структуры и формы, сопровождающиеся разрушением материалов в результате действия циклических нагревов и охлаждений. Трещины — наиболее характерный вид разрушения, вызываемый термической усталостью. Трещины возникают на поверхности детали после определенного числа циклов. Их количество непрерывно увели-
Таблица 13-3 состав наплавленного металла для работы в условиях кавитации, %
Наплавленный металл
с
Сг
Мп
Si
Ni
Ti
Х18Н9Т
0,10
17,0
0,8
0,8
8,5
0,15
1Х15Н2Т
0,15
15,0
0,6
0,2
1,8
0,20
30Х10Г10
0,28
10,0
10,0
0,3
—
0,30
Х15Н8
0,10
15,0
0,5
0,5
8,0
—
2X14
0,20
14,0
0,6
0,5
—
—
0Х12Н5АМ2Т * . . . .
0,07
12,0
1,0
0,8
5,15
0,10
* В сплаве содержится 2,3% Мо и 0,14% N.
чивается с возрастанием числа циклов. В результате образуется сетка трещин, которую часто называют сеткой разгара. Характеристикой сопротивления материалов термической усталости обычно служит число циклов до появления трещин. Стандартная методика испытаний на термическую усталость пока отсутствует, поэтому сравнительные данные получают лишь при определенных параметрах работы испытательного стенда.
Термической усталости подвержены многие детали оборудования и различный инструмент: валки горячей прокатки, штампы для горячей штамповки, пресс-формы для литья под давлением, хоботы завалочных машин, контейнеры для прессования профилей и т. п. С проблемой термической усталости чаще всего приходится сталкиваться при решении задач, связанных с наплавкой прокатных валков и штампов для горячей обработки металлов. Здесь в качестве наплавленного металла традиционным является применение штамповых сталей для горячей обработки, которые в соответствии с классификацией МИС относятся к типу Н (табл. 13-4). Такие детали, как прокатные валки, штампы и другой инструмент для горячей обработки, испытывают не только тепловые удары, которые приводят к трещинам термической усталости, но подвергаются одновременно и износу истиранием. Скорость распространения трещин в глубь металла и скорость истирания могут быть разными. Поэтому на изношенной поверхности детали отразится результат действия процесса, протекающего с большей скоростью, т. е. сетка трещин, либо задиры и риски. Различные типы наплавленного металла обладают разной склонностью к образованию трещин термической усталости и сопротивлением износу.
На рис. 13-5 приведены данные о сопротивлении износу и термической усталости ряда составов наплавленного металла типа Н. Испытания выполнены на машине, позволяющей оказывать одновременное воздействие на поверхность образца циклических тепло- смен и трения о металл. Испытываемый образец прижимают к вра-
Таблица 13-4
Состав металла для наплавки инструмента, деформирующего металл в горячем состоянии
Наплавленный металл
Содержание элементов, %
Твердость после наплавки HRC
с
Si
Мп
Сг
W
V
Ni
Ti
Mo
ЗХ2В8
0,35
0,8
0,9
2,5
8,5
0,3
48—50
25Х5ФМС . . . .
0,25
1,1
0,6
5,2
—
0,4
—
1,20
40—46
4Х4ВЗФ . . . .
0,40
0,8
0,9
3,8
3,2
0,4
—.
—
42—48
150ХНМ
1,26
0,65
0,7
1,2
1,26
0,35
40—45
ЗХ5Г2М
0,30
0,6
1,8
5,0
—
—
0,1
0,70
40—43
Х20Н10Г7Т . . .
0,10
0,8
7,0
20,0
—
—
10,0
0,3
—
18—22
Рис. 13-5. Сопротивление износу (а) и термической усталости (б) наплавленного металла:Рис. 13-5. Сопротивление износу (а) и термической усталости (б) наплавленного металла:1 — ЗХ2В8;2 — 10Х7М2ФС;3 — 4Х4В4М2ФС;4 — ЗХ2М4Ф:1 — ЗХ2В8;2 — 10Х7М2ФС;3 — 4Х4В4М2ФС;4 — ЗХ2М4Ф:5 — ЗХ4В2М2ФС;6 — 4ХЗВМФС;7 — 25Х5ФМС;8 — сталь 45 после закалки и отпуска на HRC 505 — ЗХ4В2М2ФС;6 — 4ХЗВМФС;7 — 25Х5ФМС;8 — сталь 45 после закалки и отпуска на HRC 50
Рис. 13-5. Сопротивление износу (а) и термической усталости (б) наплавленного металла:
Рис. 13-5. Сопротивление износу (а) и термической усталости (б) наплавленного металла:
1 — ЗХ2В8;
2 — 10Х7М2ФС;
3 — 4Х4В4М2ФС;
4 — ЗХ2М4Ф:
1 — ЗХ2В8;
2 — 10Х7М2ФС;
3 — 4Х4В4М2ФС;
4 — ЗХ2М4Ф:
5 — ЗХ4В2М2ФС;
6 — 4ХЗВМФС;
7 — 25Х5ФМС;
8 — сталь 45 после закалки и отпуска на HRC 50
5 — ЗХ4В2М2ФС;
6 — 4ХЗВМФС;
7 — 25Х5ФМС;
8 — сталь 45 после закалки и отпуска на HRC 50
вдающемуся истирающему кольцу с давлением около 10 кгс/мм2, скорость трения 20—22 м/мин. Истирающее кольцо из стали Х18Н10Т нагревают газовой горелкой до температуры 950—■ 1000° С. Образец в течение 40 с истирается об это кольцо, нагреваясь до температуры 680—710° С, затем отводится и охлаждается струей воды до температуры 180° С, после чего цикл повторяется. На рис. 13-5, а величина износа указана после 200 циклов.
Термическую усталость образцов определяли на этой же установке, но нагреву газовой горелкой до температуры 680° С подвергали не кольцо, а образец, который затем охлаждался водяным душем. На рис. 13-5, б показано число циклов до появления первой трещины.
Износ возрастает при уменьшении в наплавленном металле содержания углерода и легирующих элементов, особенно вольфрама. Сопротивление термической усталости вольфрамовой стали ЗХ2В8 оказалось ниже, чем стали 45 и безвольфрамовой стали 25Х5ФМС. Между тем согласно исследованиям термических циклов службы валков стана 120 поперечно-винтовой прокатки, сопротивляемость образованию трещин наплавленного металла ЗХ2В8 более высокая, чем стали 45. Это указывает на существенное изменение сопротивления наплавленного металла термической усталости в зависимости от условий эксплуатации.
Проводя испытания различных материалов по одной методике и постоянных режимах, можно прийти к ошибочным рекомендациям, если не учитывать конкретных условий службы наплавляемых деталей. Между сопротивлением термической усталости, определяемым числом циклов до появления трещин, и механическими и теплофизическими характеристиками материалов отсут-
703
повышенных температур иповышенных температур и
повышенных температур и
повышенных температур и
Рис. 13-6. Горячая твердость наплавленного металла:
1 — ХН80СР4;
2 — ХН80СРЗ;
3 — ХН65МКВЮ (ЭИ867);
— ВЗК;
— сормайт I;
— ЗХ2В8;
— 150ХНМ;
— Cr3Ca — N1 (60% Сг3С2и 40% Ni)
ствует достаточно простая корреляция. Тем не менее важно рассмотреть горячую твердость наплавленного металла при работе деталей в условиях повышенных температур.
На рис. 13-6 показана зависимость твердости от температуры для наплавленного металла тех типов, которые обычно используют в условиях высоких давлений. Твердость с повы
шением температуры для различных составов наплавленного металла изменяется по-разному. Наиболее высокой твердостью при температурах 500—700° С обладают кобальтовый стеллит, карбидная композиция и жаропрочные сплавы. Эти материалы,
как правило, хорошо противостоят износу при повышенных температурах.
Износ при трении металла о металл при нормальных температурах происходит в подшипниках скольжения (коленчатые валы, оси, пальцы ковшовых цепей), а также при трении качения (крановые колеса, детали ходовой части гусеничных машин, скаты вагонеток и т. п.). В узле трения обычно присутствуют абразивные частицы: окалина, песок, руда, частицы наклепанного металла и др. На износостойкость трущейся пары влияет много факторов: соотношение твердости трущихся поверхностей, удельная нагрузка, концентрация и твердость абразива, микроструктура наплавленного слоя. Для наплавки деталей, работающих в этих условиях, чаще всего используют низколегированные стали типов А и В по классификации МИС (15Г2Х, ЗОХГСА, 20Х2Г2М, 50Х5ФТ, ЗХ5Г2М), а в тех случаях, где рабочие поверхности подвержены большим контактным нагрузкам, — само- упрочняющиеся стали с нестабильным аустенитом и др.
§ 13-2. Методы легирования наплавленного слоя
Нужные свойства наплавленного слоя обычно получают легированием, т. е. введением в его состав легирующих примесей. Существует много методов легирования. Методы легирования и способы наплавки взаимосвязаны — выбранный способ наплавки, как правило, диктует рациональный метод легирования, и, наоборот, эффективный метод легирования требует при-
704
менения соответствующего способа наплавки. С другой стороны, основными признаками, по которым следует оценивать метод легирования, являются: точность (надежность) получения заданного химического состава наплавленного металла при возможных колебаниях режимов наплавки, однородность состава по объему наплавленного слоя, экономичность и удобство применения метода легирования. Что касается экономичности метода легирования, то здесь необходимо учитывать целесообразность применения тех или иных легирующих элементов для данного объекта наплавки и потери этих легирующих элементов при выборе метода легирования.
Легировать сварочную ванну можно за счет обменных реакций между металлом и шлаком (окислами), через газовую среду и путем введения металлических добавок. Примером легирования за счет обменных реакций являются известные кремние- и марганцевовосстановительные процессы при сварке и наплавке под флюсами АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60 и др. Легирование посредством газовой фазы имеет место при дуговой наплавке плавящимся электродом в атмосфере воздуха или азота, когда наплавленный металл содержит заметные количества азота. Благодаря этому повышается износостойкость хромистых сплавов или регулируется количество аустенитной фазы.
Однако эти два процесса легирования для износостойкой наплавки применяют редко, так как они не могут обеспечить необходимый уровень содержания легирующих элементов. Поэтому наибольшее распространение получило легирование путем введения в сварочную ванну металлических сплавов, чистых металлов и металлоподобных соединений. Кинетика растворения металлических добавок и металлоподобных соединений в жидких металлах изучена еще недостаточно.
При ручной наплавке штучными электродами легирование осуществляется введением легирующих элементов в покрытие электрода или в электродный стержень. Применяют и комбинированный метод легирования, когда легирующие примеси вводят и в стержень, и в покрытие.
Процессы легирования протекают на стадии капли и в сварочной ванне. Концентрация легирующего элемента в наплавленном
на стадии капли достигают насыщения, и дальнейшее увеличение толщины покрытия не приводит к изменению концентрации элемента в капле (рис. 13-7). Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что возрастание концентрации легирующего элемента при увеличении толщины покрытия больше эффективной происходит за счет процессов в сварочной ванне. Эффективная толщина покрытия зависит главным образом от его температуры плавления. Чем больше толщина покрытия отличается (в большую сторону) от эффективной толщины, тем больше вклад ванны в процесс легирования.
Визуальное наблюдение за плавлением электрода и данные скоростной киносъемки показывают, что в этом случае наружные слои покрытия стекают непосредственно в ванну, минуя каплю. Такой характер плавления электрода существенно влияет на результаты легирования. Металлические легирующие добавки покрытия, попадая в хвостовую часть ванны, не успевают полностью раствориться и равномерно распределиться в расплаве. В результате возрастает макрохимическая неоднородность наплавленного металла.
Описанный выше неблагоприятный процесс плавления покрытия электрода можно использовать и для достижения положительного эффекта. Так, создание многослойного покрытия, в котором износостойкие частицы расположены в наружном слое, позволит в известной степени избежать их растворения в расплаве, что уменьшит охрупчивание матрицы сплава и сохранит износостойкие частицы от разрушения при высоких температурах дуги. Внутренний слой покрытия должен быть достаточно тугоплавким, чтобы уменьшить эффективную толщину покрытия.
При электродуговой наплавке под флюсом применяют следующие методы легирования: I — применение легированной электродной проволоки или ленты (в том числе и металлокерамической ленты) и плавленого флюса; II — присадка легирующих материалов через проволоку или ленту (порошковую проволоку или ленту, проволоку с армированным легирующим покрытием и др.), плавленый флюс; III — использование низкоуглеродистой проволоки или ленты и легирующего флюса (керамического флюса, механической примеси ферросплавов к флюсу); IV — наплавка по неподвижной присадке в виде прутка, ленты, порошка, пасты с полным расплавлением присадки.
Ни один из этих методов не встречается в чистом виде: электродный материал всегда в какой-то степени взаимодействует со шлаком и часть элементов переходит в наплавленный металл из флюса. При использовании легирующего флюса часть примесей может вноситься электродным материалом.
При наплавке под флюсом изменение параметров режима наплавки (силы тока, напряжения дуги, скорости наплавки, диаметра и вылета электрода) изменяет количество шлака, приходящееся на единицу массы расплавившегося электрода (относитель-
706
ная масса шлака), а также кинетические условия взаимодействия металла и шлака на стадии капли. Характер влияния этих изменений на процесс легирования зависит от того, что является основным источником поступления легирующих элементов — электродный материал или флюс.
При легировании через проволоку и наплавке под химически активными флюсами — силикатами (АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60) увеличение относительной массы шлака, происходящее при повышении напряжения дуги или уменьшении силы тока, сопровождается окислением легирующих элементов и легированием сварочной ванны кремнием и марганцем из флюса. Указанные изменения режима наплавки сопровождаются изменением и кинетических условий взаимодействия фаз на стадии капли: возрастает время существования капли и ее взаимодействие с окислительным шлаком. В результате при изменении режимов наплавки изменяется и химический состав наплавленного металла.
При наплавке под менее активными флюсами влияние относительной массы шлака на процессы окисления и легирования уменьшается; этому способствует меньшая окислительная способность флюса и то обстоятельство, что обычно не вся масса жидкого шлака взаимодействует с металлом. Меньшее влияние на химический состав наплавленного металла оказывают и кинетические условия. Таким образом, при легировании через проволоку влияние режима на химический состав наплавленного металла тем меньше, чем меньше окислительная способность применяемого флюса.
Продолжительность взаимодействия капли с окружающей средой и относительная масса шлака уменьшаются при увеличении силы сварочного тока, кроме того, относительная масса шлака уменьшается при увеличении скорости наплавки. Поэтому изменение химического состава наплавленного металла в зависимости от изменения режима наплавки меньше в области больших токов и больших скоростей наплавки. Эти процессы относятся к верхним слоям многослойной наплавки, когда влияние основного металла и его доли в наплавленном невелики.
Рассмотрим кратко особенности легирования, когда основным источником поступления легирующих элементов (в виде металлических добавок) является флюс. Как и при легировании через проволоку, наиболее важным является взаимодействие фаз на стадиях капли и сварочной ванны. При плавлении электрода под слоем легирующего флюса капли на конце электрода имеют уже значительный уровень легирования. Доля легирования на стадии капли (содержание элемента в капле по отношению к его содержанию в наплавленном металле) зависит от концентрации легирующего элемента во флюсе и от режима наплавки.
При увеличении напряжения дуги и уменьшении силы тока, когда относительная масса шлака возрастает, содержание легирующих элементов в капле остается примерно постоянным.
45* 707
Относительная масса шлакаОтносительная масса шлакаРис. 13-8. Зависимость содержания легирующих элементов в наплавленном металле (/) и капле (2) от относительной массы шлака при наплавке под легирующим флюсом
Относительная масса шлака
Относительная масса шлака
В этих же условиях уровень легирования наплавленного металла повышается (рис. 13-8), и доля легирования на стадии
капли убывает:ВС!АС >
^>В'С/ А'С. Незначительное влияние режима наплавки на состав
капли, по-видимому, связано с тем, что с каплей взаимодействует
сравнительно небольшая и постоянная доля расплавившегося флюса и что в условиях высоких температур и интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз процесс обогащения капли
легирующими элементами успевает пройти достаточно полно. Таким образом, при наплавке под легирующим флюсом влия
ние режима наплавки на состав наплавленного металла происхо
дит, в основном, через процессы, протекающие на стадии ванны. После расплавления легирующего флюса, состоящего из смеси ферросплавов и шлакообразующих материалов, ввиду весьма ограниченной растворимости металлов в шлаке образуется дисперсная система, в которой дисперсионной средой является шлак, а дисперсной фазой —■ металл. Происходит коагуляция и слияние металлических частиц и осаждение их в сварочную ванну, причем часть частиц успевает достичь сварочной ванны, а часть застревает и (при соответствующих условиях) окисляется в шлаке.
Потери в шлаковой корке зависят от физико-химических свойств как шлака, так и осаждающихся частиц. Так, при введении в виде механической примеси порошков никеля и вольфрама в малоокислительный флюс 48-ОФ-6 потери никеля выше, чем вольфрама. Это объясняется большей плотностью вольфрама. При этом на процесс осаждения частиц из шлака в сварочную ванну влияет и вязкость шлака. Потери в шлаковой корке находятся в обратной зависимости от продолжительности пребывания шлака и сварочной ванны в жидком состоянии, если шлак обладает малоокислительными свойствами.
Стабильность химического состава наплавленного металла обеспечивается в том случае, если увеличение расхода источника легирования, например относительной массы шлака, компенсируется повышением потерь легирующих элементов в результате окисления и застревания в шлаке. Поэтому стабильность химического состава наплавленного металла при разных режимах наплавки можно повысить, применив легирующий флюс с повышенной окислительной способностью, хотя этот путь с точки зрения экономии легирующих элементов невыгоден. При легировании же
через проволоку такое решение ведет к уменьшению стабильности состава наплавленного металла. Изменение потерь в шлаковой корке при разных режимах наплавки не всегда происходит в нужном направлении, и управлять этими потерями с целью получения стабильного состава наплавленного металла очень трудно.
При наплавке под легирующим флюсом электродной лентой сила тока и напряжение дуги влияют на относительную массу шлака незначительно. Поэтому при наплавке электродной лентой в отличие от наплавки проволочным электродом обеспечивается более стабильный химический состав наплавленного металла.
Потери легирующих элементов в шлаковой корке существенно возрастают при их высоком содержании во флюсе, и это свидетельствует о нецелесообразности применения легирующих флюсов (керамических, флюсов-смесей) для получения высоколегированного наплавленного металла.
При наплавке плавящимся электродом по неподвижной легирующей присадке в виде порошка, пасты и т. п. количество присадки выбирают так, чтобы она вся переплавлялась дугой. Наплавку обычно производят под плавленым флюсом низкоуглеродистой проволокой. Благодаря энергичному перемешиванию металла в сварочной ванне примесь, введенная указанным путем, распределяется равномерно по сечению наплавленного слоя. При равномерном распределении примеси по длине наплавляемого валика можно получить наплавленный металл заданного состава.
Если на изделие нанесено заданное количество легирующего материала, то химический состав наплавленного металла в значительной мере зависит от скорости подачи электродной проволоки (силы тока) и скорости наплавки. Это обусловлено тем, что на единицу массы легирующего элемента будет приходиться разное количество электродного металла, разбавляющего присадочный. Кроме того, состав наплавленного металла зависит от напряжения дуги, что обусловлено изменением относительной массы шлака. Поэтому заданный химический состав наплавленного металла можно получить в весьма ограниченном диапазоне режимов.
Для оценки точности получения наплавленного металла заданного состава при различных методах легирования и изменении режимов наплавки И. И. Фрумин предложил диаграмму, построенную в координатах сила тока — напряжение. На эту диаграмму наносят линии равных концентраций того или иного элемента —■ изоконцентраты. Зная предельно допустимые максимальные и минимальные содержания элементов для данного сплава и нанося их в виде изоконцентрат на указанную диаграмму, получают область режимов, характеризующую точность метода легирования.
Чем шире диапазон режимов, при котором обеспечиваются допустимые отклонения в составе наплавленного металла, тем надежнее метод легирования. Диаграмма на рис. 13-9 показана для металла ЗХ2В8, наплавленного под флюсом с использованием перечисленных выше четырех методов легирования. По уменьше-
709
Рис. 13-9. Области режимов, в пределах которых состав наплавленного металла в допустимой мере отклоняется от среднего:
I — наплавка легированной про волокой Нп-бОХЗВЮФ под флюсом АН-20,
II — наплавка порошковой проволокой ПП-ЗХ2В8 под флюсом АН-20,
— наплавка низкоуглеродистой проволокой под легирующим флюсом на основе АН-20,
— наплавка низкоуглеродистой проволокой под флюсом АН-20 по насыпанному слою порошка ферросплавов
нию точности и надежности рассматриваемые методы легирования расположены в таком порядке: I, II, III, IV.
При электрошлаковой наплавке, когда расход флюса невелик, приемлемы методы легирования I и II. При этом используют кованые, катаные и литые электроды большого сечения. При механизированной наплавке открытой дугой легирование сварочной ванны осуществляют легированной или порошковой проволокой, подаваемой в дугу либо в качестве плавящегося электрода, либо присадки. Так, при плазменной наплавке в зависимости от примененного способа легирующие примеси вводят в токоведущую или присадочную проволоку (порошковую и легированную), в неподвижную присадку (проволоку, ленту, пасту, порошок, литые или металлокерамические присадки) и в порошок, вдуваемый в плазму.
Важной характеристикой процесса легирования является однородность химического состава наплавленного металла по объему, которая обусловлена, в первую очередь, равномерностью распределения легирующих элементов в самом электродном материале. Так, при исследовании при помощи метода математической статистики распределения легирующих элементов в наплавленном слое установлена разная степень однородности состава металла, наплавленного под флюсом холоднокатаной, металлокерамической и порошковой лентами. Металлокерамическая и холоднокатаная ленты дают наплавленный металл примерно с одинаковой однородностью. При наплавке порошковой лентой (конструкции, показанной на рис. 13-10, в) шириной 45 мм наплавленный металл менее однороден.
При выборе способа легирования необходимо учитывать много факторов. Так, требования к стабильности и однородности состава металла при наплавке коррозионностойких слоев и инструментальных сталей должны быть выше, чем при наплавке, например, износостойких слоев деталей, перерабатывающих горные породы. Порошковая проволока и тем более металлокерамическая лента дороже низкоуглеродистой и среднелегированной проволоки сплошного сечения. Применение этих сравнительно дорогостоя-
щих материалов оправдывается в тех случаях, если необходимо получить легированный наплавленный металл со стабильным химическим составом. При наплавке по слою гранулированного порошка используют сравнительно недорогие материалы (порошок сормайта, сталинита), но этот метод малопригоден для деталей сложной формы и неприменим в тех случаях, когда требуется большая стабильность состава наплавленного металла.
Для решения многих задач легирования при дуговой наплавке особенно перспективны порошковая проволока, а также металлокерамическая и порошковая ленты.
§ 13-3. Материалы для наплавки
Покрытые электроды. Для наплавки различных деталей применяют электроды, предназначенные для сварки различных сталей и сплавов, и специальные электроды. Общие технические требования к металлическим электродам для дуговой сварки сталей и наплавки регламентированы ГОСТ 9466—60. ГОСТ 10051—62 предусматривает 25 типов электродов, например ЭН-14Г2Х, ЭН-У30Х28С4Н4 и др. В основу деления электродов на типы положен конкретный химический состав наплавленного металла. Каждому типу может соответствовать несколько марок электродов, отличающихся составом стержня, покрытия и сварочно-технологическими свойствами.
Плавленые флюсы. Для механизированной дуговой и электро- шлаковой наплавки наиболее широко применяют плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-20, 48-ОФ-6, АН-26, АН-15М, АН-8, АН-25 (§ 42). Как и при сварке, качество наплавленного слоя во многих случаях определяется правильным выбором типа и состава флюса. Высококремнистые марганцевые флюсы АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М и АН-60 обеспечивают хорошее формирование, малую склонность к образованию пор и удовлетворительную отделимость шлаковой корки при наплавке сталей типов А и В (по классификации МИС).
Пемзовидный флюс АН-60 рекомендуется применять при наплавке электродной лентой, а также проволокой на больших скоростях. При наплавке среднелегированных и высоколегированных сталей и сплавов применение высококремнистых марганцевых флюсов нецелесообразно, так как они отличаются высокой окислительной способностью, чрезмерно легируют наплавленный металл кремнием и марганцем, образуют плохо отделяющуюся шлаковую корку. В этом случае применяют флюсы АН-26, АН-20, АН-28, АН-70, 48-ОФ-6, 48-ОФ-10 и др.
Флюс АН-26 применяют для наплавки аустенитных хромоникелевых сплавов типа D. Преимуществом этого флюса является отличное формирование наплавленного валика и малая склонность наплавленного слоя к порам; недостатком — сравнительно высокая окислительная способность, что приводит в ряде случаев
711
к недопустимому снижению содержания титана и хрома в наплавленном слое и к появлению кристаллизационных трещин. Трещины в этом случае можно устранить примесью к флюсу 3—4% алюминиевой лигатуры (80% А1 и 20% Fe), которая обладает примерно одинаковой с флюсом плотностью.
Из низкокремнистых безмарганцевых флюсов наиболее широко применяют для наплавки флюс АН-20. Он обеспечивает высокую стабильность дуги, малую склонность к порам, хорошее формирование валиков. Его недостаток — относительно низкая температура плавления и малая вязкость, что затрудняет наплавку тел вращения малого диаметра, а также сравнительно высокая активность кремнезема, что приводит в ряде случаев к нежелательному обогащению металла кремнием, окислению легирующих элементов и ухудшению отделимости шлаковой корки. Шлаковая корка удовлетворительно отделяется при нагреве детали до температуры не свыше 450° С.
Флюс АН-28 рекомендуется для наплавки высокохромистых чугунов (тип G), он безмарганцевый и содержит мало кремнезема. Поэтому не происходит значительного окисления легирующих элементов, достигается хорошая отделимость шлаковой корки. Недостатком флюса является плохое формирование валиков при содержании в наплавленном слое менее 1,0% Si, а также повышенная склонность к порам. Последнее связано с низким содержанием SiO2 и CaF2 во флюсе.
Наиболее химически нейтральны флюсы АН-70 и 48-ОФ-6, применяемые для наплавки высоколегированных сплавов с высоким содержанием хрома, вольфрама, ванадия и титана. При наплавке под этими флюсами велика опасность образования пор. Если наплавляют порошковой проволокой, то для устранения пор в сердечник обязательно вводят кремнефтористый натрий.
Для снижения содержания влаги эти флюсы прокаливают при температуре 900—930° в течение 5 ч. Чтобы флюс не поглощал влагу из воздуха, его нужно хранить в сухих помещениях. Состав наплавленного металла изменяется минимально, так как флюс почти не содержит веществ, вступающих в химическое взаимодействие с железом и легирующими элементами. Шлаковая корка удовлетворительно отделяется при нагреве деталей до 600—700° С.
Для электрошлаковой наплавки применяют флюсы АН-8, АНФ-1П, АНФ-14 и АН-25. Флюс АНФ-1П обладает высокой электропроводностью в расплавленном состоянии и обеспечивает устойчивый электрошлаковый процесс. Низкая окислительная способность флюса позволяет использовать его для электрошлаковой наплавки высоколегированных сплавов. Флюс АН-8 также обеспечивает высокую устойчивость электрошлакового процесса, но обладает повышенной окислительной способностью. Поэтому его следует применять для электрошлаковой наплавки сталей типов А и В, где потери на окисление легирующих примесей не сказываются в опасной мере на качестве наплавленного металла.
Флюс АН-25 предназначен для возбуждения электрошлакового процесса без дуги: он электро-
проводен в твердом состоянии, при прохождении тока быстро нагревается и расплавляется, образуя начальную ванну жидкого шлака (табл. 13-5).
Керамические флюсы. Для наплавки интерес представляют легирующие керамические флюсы, которые позволяют при использовании^ стандартных и недефицитных проволок получать легированный наплавленный металл повышенной износостойкости. При наплавке под
Тип наплавленного металла по классификации, МИСРекомендуемые флюсыА, ВАН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-8DАН-26, 48-ОФ-6, 48-ОФ-10ЕАН-20, АН-26, АН-70F, Н, GАН-70, 48-ОФ-6, АН-20Тип наплавленного металла по классификации, МИСРекомендуемые флюсыА, ВАН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-8DАН-26, 48-ОФ-6, 48-ОФ-10ЕАН-20, АН-26, АН-70F, Н, GАН-70, 48-ОФ-6, АН-20Таблица 13-5Таблица 13-5Флюсы для механизированной наплавкиФлюсы для механизированной наплавкилегирующим керамическим флюсом возможно опасное измене
Тип наплавленного металла по классификации, МИС
Рекомендуемые флюсы
А, В
АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-8
D
АН-26, 48-ОФ-6, 48-ОФ-10
Е
АН-20, АН-26, АН-70
F, Н, G
АН-70, 48-ОФ-6, АН-20
Тип наплавленного металла по классификации, МИС
Рекомендуемые флюсы
А, В
АН-348-А, ОСЦ-45, АН-60, АН-8
D
АН-26, 48-ОФ-6, 48-ОФ-10
Е
АН-20, АН-26, АН-70
F, Н, G
АН-70, 48-ОФ-6, АН-20
Таблица 13-5
Таблица 13-5
Флюсы для механизированной наплавки
Флюсы для механизированной наплавки
ние химического состава наплавленного металла при изменении режимов наплавки. Однако этот недостаток относится в основном к флюсам с высоким содержанием легирующих элементов, поэтому высокое легирование наплавленного металла целесообразно осуществлять через проволоку. Наплавка же низколегированного металла возможна и при помощи слаболегирующих керамических флюсов.
Лабораторная разработка рецептур привела к созданию многочисленных марок керамических флюсов: ЖС-400; ЖС-500; ЖСН-1; ЖСН-2; КС-Х12Т; КС-ЗХ2В8; КС-Р18Б; АНК-18; АНК-19; ФК-45 и др. Однако заметное применение нашли только флюсы АН К-18 и АН К-19, изготовляемые промышленностью (табл. 13-6).
Флюс АНК-18 предназначен для механизированной наплавки проволокой Св-08 и Св-08А колес мостовых кранов, опорных катков, роликов и натяжных колес гусеничного хода тракторов, бульдозеров и экскаваторов. Флюс АНК-19 используют для широкослойной наплавки колеблющимся электродом рабочих кромок ножей бульдозеров, скреперов и грейдеров. Оба флюса обеспечивают хорошее формирование наплавленного металла, легкую
Таблица 13-6
Состав металла, наплавленного низкоуглеродистой проволокой под керамическим флюсом
Марка флюса
Содержание элементов,
%
Твердость НВ
Тип металла по классификации МИС
с
Мп
Si
Сг
АНК-18
0,2—0,4
1,0—1,8
0,5
2,5—5,0
350—450
А
АНК-19
0,4—0,5
1,0—1,5
0,5
4,0—6,0
500
В
отделимость шлаковой корки, высокую стойкость наплавленного металла против образования пор и трещин и возможность наплавки на переменном и постоянном токе.
Электродные проволоки и ленты. Основными электродными материалами для механизированной наплавки являются проволока сплошного сечения, порошковая проволока, лента холодного проката, порошковая, литая и металлокерамическая ленты. С помощью этих электродных материалов можно получить практически все типы наплавленного металла, указанные в табл. 13-1.
Проволока сплошного сечения. Во многих случаях для наплавки под флюсом и в защитных газах может быть использована стандартная сварочная проволока по ГОСТ 2246—70. Этот ГОСТ предусматривает поставку 6 марок низкоуглеродистой, 30 марок легированной и 41 марки высоколегированной проволоки. Проволокой по ГОСТ 2246—70 можно наплавить металл типов A, D, Е и QB.
Особенно велик выбор проволок для восстановительной наплавки, наплавки промежуточных слоев (подслоев) и коррозионностойких сталей. Кроме сварочной проволоки для наплавки часто используют пружинную проволоку, изготовленную из углеродистой стали с низким содержанием серы и фосфора. Так, на ряде ремонтных предприятий применяется углеродистая проволока по ГОСТ 9389—60, ГОСТ 1071—67 и ГОСТ 14963—69. Чаще всего используют проволоку, которая содержит 0,4—0,5% С, 0,17—0,37% Si и 0,35—0,60% Мп. Химический состав металла, наплавленного этой проволокой, в значительной степени зависит от типа флюса и режима наплавки; твердость наплавленного слоя НВ 200—250. Проволоку из пружинных сталей применяют для вибродуговой наплавки с охлаждением жидкостью. В этом случае твердость наплавленного слоя достигает HRC 50—55.
Для наплавки реторт трубчатых печей и других деталей, продолжительное время работающих в окислительной атмосфере при высоких температурах, можно применять проволоку из жаропрочных сплавов высокого омического сопротивления (Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80Т). ГОСТ 10543-—63 предусматривает выпуск проволоки диаметром 0,3—6,0 мм, а также катаной проволоки диаметром 6,5 и 8,0 мм (табл. 13-7), предназначенной преимущественно для наплавки под флюсом. Для наплавки слоя бронзы на сталь используют проволоку Бр.АЖМц 10-3-1,5, Бр.АМц 9-2.
Порошковая проволока. Изготовление легированной проволоки — дорогой и сложный процесс. Общепринятая технология волочения с малыми переходами от одного диаметра к другому и многократным отжигом после почти каждого прохода связана с большими затратами средств и времени. Поэтому проволока, например из быстрорежущей стали, примерно в 3 раза дороже, чем прокат, из которого ее изготовляют. Ряд углеродистых леги- 714
Таблица 13-7
Краткая характеристика наплавочной проволоки по ГОСТ 10543—63
Маркапроволоки
наплавленного
Твердость
металла
Наплавленный металл
Тип
Типичные объекты наплавки
ннввОси, шпиндели, валы»»>Натяжные колеса, скаты тележек, опорные роликиОпорные ролики, осиКоленчатые валы, крестовины кардановОси, шпиндели, ролики, валыНатяжные колеса, опорные ролики гусеничных машинКрановые колеса, оси опорных роликовЖелезнодорожные бандажи, крановые колесаОбжимные прокатные валки, крановые колесаТрефы прокатных валков, детали автосцепки, шлицевые валыПрокатные валки сортопрокатных становТяжелогруженные крановые колеса, ролики рольганговДетали, испытывающие удары и абразивный износКовочные и вырубные штампы горячей штамповки, валки ковочных машинШлицевые валы, коленчатые валы двигателей внутреннего сгоранияОбрезные штампы холодной штамповки, валы смесителей Уплотнительные поверхности задвижек для пара и водыПлунжеры гидропрессов, шейки коленчатых валов, штампыОпорные ролики тракторов и экскаваторов, детали транспортеровВалки листопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповкиНожи для резки горячего металла, прессовый инструментВалки трубопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповкиОси, шпиндели, валы»»>Натяжные колеса, скаты тележек, опорные роликиОпорные ролики, осиКоленчатые валы, крестовины кардановОси, шпиндели, ролики, валыНатяжные колеса, опорные ролики гусеничных машинКрановые колеса, оси опорных роликовЖелезнодорожные бандажи, крановые колесаОбжимные прокатные валки, крановые колесаТрефы прокатных валков, детали автосцепки, шлицевые валыПрокатные валки сортопрокатных становТяжелогруженные крановые колеса, ролики рольганговДетали, испытывающие удары и абразивный износКовочные и вырубные штампы горячей штамповки, валки ковочных машинШлицевые валы, коленчатые валы двигателей внутреннего сгоранияОбрезные штампы холодной штамповки, валы смесителей Уплотнительные поверхности задвижек для пара и водыПлунжеры гидропрессов, шейки коленчатых валов, штампыОпорные ролики тракторов и экскаваторов, детали транспортеровВалки листопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповкиНожи для резки горячего металла, прессовый инструментВалки трубопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповки
н
н
в
в
Оси, шпиндели, валы»»>
Натяжные колеса, скаты тележек, опорные ролики
Опорные ролики, оси
Коленчатые валы, крестовины карданов
Оси, шпиндели, ролики, валы
Натяжные колеса, опорные ролики гусеничных машин
Крановые колеса, оси опорных роликов
Железнодорожные бандажи, крановые колеса
Обжимные прокатные валки, крановые колеса
Трефы прокатных валков, детали автосцепки, шлицевые валы
Прокатные валки сортопрокатных станов
Тяжелогруженные крановые колеса, ролики рольгангов
Детали, испытывающие удары и абразивный износ
Ковочные и вырубные штампы горячей штамповки, валки ковочных машин
Шлицевые валы, коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания
Обрезные штампы холодной штамповки, валы смесителей Уплотнительные поверхности задвижек для пара и воды
Плунжеры гидропрессов, шейки коленчатых валов, штампы
Опорные ролики тракторов и экскаваторов, детали транспортеров
Валки листопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповки
Ножи для резки горячего металла, прессовый инструмент
Валки трубопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповки
Оси, шпиндели, валы»»>
Натяжные колеса, скаты тележек, опорные ролики
Опорные ролики, оси
Коленчатые валы, крестовины карданов
Оси, шпиндели, ролики, валы
Натяжные колеса, опорные ролики гусеничных машин
Крановые колеса, оси опорных роликов
Железнодорожные бандажи, крановые колеса
Обжимные прокатные валки, крановые колеса
Трефы прокатных валков, детали автосцепки, шлицевые валы
Прокатные валки сортопрокатных станов
Тяжелогруженные крановые колеса, ролики рольгангов
Детали, испытывающие удары и абразивный износ
Ковочные и вырубные штампы горячей штамповки, валки ковочных машин
Шлицевые валы, коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания
Обрезные штампы холодной штамповки, валы смесителей Уплотнительные поверхности задвижек для пара и воды
Плунжеры гидропрессов, шейки коленчатых валов, штампы
Опорные ролики тракторов и экскаваторов, детали транспортеров
Валки листопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповки
Ножи для резки горячего металла, прессовый инструмент
Валки трубопрокатных и сортопрокатных станов, штампы горячей штамповки
Нп-30
Нп-40
Нп-50
Нп-65
Нп-80
Нп-40Г
Нп-50Г
Нп-65Г
Нп-ЮГЗ
Нп-ЗОХГСА
Нп-ЗОХЗВА
Нп-30Х5
Нп-40ХЗГ2ВФ
Нп-35Х2Г2В
Нп-5ХНМ
Нп-5ХНТ
Нп-5ХНВ
Нп-50ХФА
Нп-105Х
Нп-2Х14
Нп-ЗХ13
Нп-4Х13
Нп-45Х4ВЗФ
Нп-45Х2В8Т
Нп-60ХЗВ10Ф
НВ 160—220 170—230 180—240
220—300 260—340
180—240 200—270
230—310
250—330
220—300
HRC 33—40
37—42
38—44
37—42
40—50 40—50 40—50
43—50
32—38
32—38
38—45
45—52
38—45
40—46
42—50
Марка проволоки
Наплавленный металл
Типичные объекты наплавки
Тип наплавленного металла
Твердость
Нп-Х15Н60
Нп-Х20Н80Т
Нп-ПЗА
с
НВ 180—220
180—220
220—280
Детали реторт и печей, работающие при высокой температуре Выхлопные клапаны автомобильных двигателей
Железнодорожные крестовины, щеки дробилок, зубья ковшей
рованных сплавов, например типа G, вообще невозможно изготовить в виде проволоки для автоматической наплавки.
Сравнительно просто задача решается с помощью порошковой проволоки, которая состоит из оболочки —■ мягкой ленты (стальной, медной, никелевой, кобальтовой и т. д.) и сердечника из порошков легирующих компонентов (ферросплавов, чистых металлов, карбидов, боридов и т. п.). В сердечник порошковой проволоки вводят также газо- и шлакообразующие вещества, раскислители и элементы, обладающие большим сродством к азоту. В этом случае наплавку можно вести без флюса и защитных газов. Такую проволоку называют самозащитной.
Разработаны и применяются порошковые проволоки трех типов: для наплавки под флюсом, в среде защитных газов и открытой дугой в атмосфере воздуха. Хотя разработано много конструкций сечений порошковых проволок, однако для наплавки оказались наиболее удобными конструкции в виде трубки с плотным стыком и со стыком внахлестку (см. рис. 7-3). Первую применяют для автоматической наплавки под флюсом, вторую — для шланговой полуавтоматической наплавки.
Технология производства сварочных и наплавочных порошковых проволок практически одинакова. Коэффициент заполнения (отношение массы сердечника к массе оболочки в процентах) наплавочной порошковой проволоки обычно не превышает 40—• 45%. Чаще всего используют порошковую проволоку диаметром 3,6 мм (для наплавки под флюсом) и 2,6—3,2 мм (для полуавтоматической наплавки). Для автоматической наплавки под флюсом крупногабаритных деталей получены положительные результаты при использовании порошковой проволоки диаметром 6—8 мм.
ИЭС им. Е. О. Патона и другие научно-исследовательские организации разработали около 50 марок порошковых проволок различного назначения (табл. 13-8 и 13-9). В Уральском политехническом институте разработаны порошковые проволоки для наплавки под флюсом и в углекислом газе самоупрочняющихся сплавов 30Х10Г10, применяемые для упрочнения плунжеров
716
Свойства металла, наплавленного порошковыми проволоками и лентами
Марка проволоки и ленты
Содержание элементов, %
Твердость после (HRC)
С
Сг
Мп
Si
Ni
W
V
Mo
Ti
В
наплавки
наклепа
отжига
закалки и отпуска
Проволока для наплавки под флюсом
ПП-ЗХ2В8 . . .
0,32
2,5
0,8
0,6
8,5
0,3
—
—
—
44—52
—
—
—
ПП-25Х5ФМС
0,25
5,2
0,6
1,1
—
0,4
1,2
—
—
40—46
—
27—29
42—46
ПП-АН120 . . .
0,18
1,8
1,8
0,6
—
—
0,7
—
—
НВ 350—400
—
НВ 180
40—42
ПП-АН103 . . .
1,80
12,0
0,6
0,6
—
0,8
—_
—
—
40—44
48—56
27—29
60—62
ПП-АН104. .
1,80
12,0
0,6
0,6
—
1,0
0,25
—
—
40—44
48—56
27—29
60—62
ПП-АН133 . . .
0,12
17,0
1,2
5,4
8,0
—
—■
0,1
—
28—34
—
—
—
Проволока
для наплавки открытой дугой (самозащитные проволоки)
ПП-АН105 . . .
1,00
13,0
0,5
4,2
—
—
—
—
20—25
40-45
ПП-АН106 . . .
0,20
13,5
0,4
0,4
—
—
—
—
0,2
—
42—48
—
Н В 200
32—34
ПП-АН121 . . .
0,18
0,8
1,0
0,6
—
—
0,15
—
0,25
—
Н В 280—350
—
—
—
ПП-АН122 . . .
0,30
4,5
1,6
0,8
—.
—
—
0,6
0,25
—
50—56
—
27—32
54—58
ПП-АН124 . . .
2,80
17,0
1,0
0,6
—
—
—
—
0,3
—
42—48
50—56
—
—
ПП-АН125 . . .
2,00
15,0
1,0
1,5
—
—
—
-—.
0,3
0,7
50—58
—
—
—
ПП-АН130 . . .
0,25
5,0
0,6
1,2
—
—
0,4
1,2
—
—
40—46
—
—
—
ПП-АН138 . . .
0,10
15,0
0,6
0,2
1,8
—
—
0,2
—
НВ 220—250
—
—
—
ПП-АН170 . . .
0,70
20,0
0,6
0,6
—
—
—
—
0,2
3,0
60—65
—
—
—
Лента для наплавки под флюсом и открытой дугой
ПЛ-АН 101. . .
3,00
25,0
1,5
3,0
3,0
—
—
—
—
—
50—55
—
—
—
ПЛ-АН 102. . .
2,50
20,0
1,0
3,0
—
—
—
—
—.
0,5
52—56
—
—
—
ЦЛ-АНШ . . .
5,50
44,0
0,8
0,8
34
—
—
—
—
0,3
48—55
—
—
—
Марка проволоки или ленты
Тип наплавленного металла по классификации МИС
Диаметр (сечение), мм
Способ наплавки
Флюс
Типичные объекты наплавки
ПП-АН120
ПП-АН121
ПП-АН122
20Х2Г2М (А)
20ХГТ (А)
30Х5Г2М (В)
3,6
2,8
2,6
ф О О
АН-348-А
Крановые колеса, ролики рольгангов, тормозные шкивы, ролики, катки и натяжные колеса гусеничных машин, посадочные места различных валов, восстановление размеров других деталей из углеродистых сталей
ПП-АН105
Г13Н4 (С)
2,8
О
—
Крестовины стрелочных переводов, восстановление размеров и исправление пороков литья деталей из стали нопзл
ПП-АН133
1Х18Н9С6Г2 (D)
2,8
3,6
ф
АН-28 48-ОФ-10 АН-20
Уплотнительные поверхности энергетической арматуры, работающей при температуре 500 — 540° С и давлении 180 — 200 кгс/см2
ПП-АН106
1Х14Т (Е)
2,3
О
—
Уплотнительные поверхности общепромышленной газовой и нефтяной арматуры, эксплуатируемой ири температуре до 450° С и давлении 64—100 кгс/см2; плунжеры гидросистем
ПП-АН138
08Х15Н2 (Е)
2,8
О
—
Рабочие колеса, камеры проточного тракта гидротурбин и другие детали, подвергающиеся кавитационной эрозии. Возможна наплавка иа вертикальные поверхности
ПП-АН103
ПП-АН104
У20Х12М (Е)
У20Х12ВФ (Е)
3,6
3,6
ф
АН-20
АН-20
Ролики рольгангов, ножи холодной резки металлов, рабочие элементы смесителей и другие детали, испытывающие абразивный износ с ударами
718
Назначение наплавочных порошковых проволок и лент
Марка проволоки или ленты
Тип наплавленного металла по классификации МИС
Диаметр (сечение), мм
Способ наплавки
Флюс
Типичные объекты наплавки
ПП-АН124
ПП-АН125
У25Х17Т (G)
У20Х15СТР (G)
3,2
3,2
о
Зубья, козырьки и стенки ковшей экскаваторов, колосники грохотов, палеты агломерационных машин, ножи грейдеров и бульдозеров, била дробилок, грунтозацепы звеньев и звездочки ходовой части гусеничных машин, лопасти дымососов и другие детали, работающие в абразивной среде. Наплавка износостойкого слоя на детали из стали 110Г13Л
ПП-АН170
70Х20РЗТ (G)
3,2
О
Рабочие колеса и улитки грунтовых насосов и рабочие органы землеройных машин при эксплуатации на песчаных грунтах, шнеки, козырьки многоковшовых экскаваторов, драг и другие детали, испытывающие интенсивный абразивный износ без сильных ударов
ПЛ-АН 101
ПЛ-АН102
УЗОХ25НЗСЗ (G)
У25Х20СЗР (G)
4X20
4X20
О, Ф
О, Ф
АН-15М
АН-15М
Детали засыпных аппаратов доменных печей, валки коксовых дробилок, била, футеровка конусных дробилок, броневые плиты течек, рештаки транспортеров„ плиты скипов, ножи бульдозеров, гильзы шнековых насосов и другие детали, работающие в условиях абразивного износа при нормальных и повышенных температурах. Возможна наплавка на стали 110Г13Л
ПП-ЗХ2ВЗ ПП-25Х5ФМС ПП-АН130
ЗХ2В8(Н) 25Х5ФМС (Н) 25Х5ФМС (Н)
3,6
3,6
2,8
ф ф О
АН-20
АН-20
Стальные валки горячей прокатки, ножи горячей резки металла, прессовый инструмент, бойки молотов и другие детали, работающие в условиях термической усталости и больших давлений
ПЛ-АНШ
Cr3C2—N1
ЗХ 10
О, Ф
АН-20
АН-15М
Контактные и промежуточные пояса конусов и чаш загрузочных устройств доменных печей, работающих на форсированных режимах
719
Продолжение табл. 13-9
* Ф — наплавка под флюсом; О — наплавка открытой дугой.
гидропрессов, а также наплавки деталей, испытывающих трение металла о металл с большими удельными нагрузками. В ЦНИИ МПС разработаны самозащитные порошковые проволоки ПП-ТН250, ПП-ТН350 и ПП-ТН500 (цифра указывает твердость наплавленного слоя) для восстановительной и износостойкой наплавки различных деталей железнодорожного транспорта.
Характерной особенностью этих проволок является высокая стойкость наплавленного металла против образования пор при повторной наплавке на детали, ранее наплавленные электродами со стабилизирующим покрытием или голой проволокой. Это достигнуто благодаря легированию наплавленного слоя титаном, который связывает азот в стойкие нитриды. Для наплавки слоя бронзы на сталь ИЭС им. Е. О. Патона разработаны порошковые проволоки ПП-Бр.ОС8-21, ПП-Бр.ОЦС6-6-3, ПП-Бр.ОСЮ-ЮА и ПП-Бр.АЖ9-4 (в названии марки указан тип наплавляемой бронзы).
Лента для наплавки. Технические требования, предъявляемые к электродной ленте, еще не стандартизированы. Обычно для наплавки используют холоднокатаные ленты из конструкционной, инструментальной и пружинной стали (ГОСТ 2283—69), стальную коррозионностойкую ленту (ГОСТ 4986—70) и ленту высокого омического сопротивления из жаростойких сплавов. Для наплавки коррозионностойких слоев на корпусах атомных реакторов и химической арматуре предложен ряд специальных составов лент холодного проката.
Исходя из существующей мощности источников питания сварочной дуги наиболее часто используют ленту толщиной 0,4— 0,6 мм и шириной 30—100 мм. Специальные источники питания позволяют применить ленту и большей ширины, например 300— 400 мм. Холоднокатаная лента не может удовлетворить весьма разнообразным требованиям. Поэтому разработаны порошковые, литые и металлокерамические ленты.
Порошковую ленту впервые использовали для автоматической наплавки ножей дорожных машин. Первоначально порошковую ленту изготовляли непосредственно наплавочным аппаратом путем ее формирования специальными роликами с одновременным заполнением оболочки соответствующими порошкообразными компонентами (рис. 13-10, а\ Объединение операции изготовления электрода и наплавки в одном агрегате привело к сложной и ненадежной конструкции агрегата.
В дальнейшем порошковую ленту стали изготовлять отдельно на специальных станах, снабженных роликами для формирования и завальцовки ленты-оболочки. Стан имеет дозирующее устройство для шихты и клеть валков для уплотнения сердечника. Процесс волочения отсутствует. На рис. 13-10, б показана порошковая лента, изготовляемая обычно шириной 40—50 мм. Лента, показанная на рис. 13-10, в, г, имеет сравнительно небольшую ширину (12—30 мм) и рассчитана на большие коэффициенты за-
Рис. 13-10. Порошковая лента:
а — конструкция О. А. Бакши и др.;
б — конструкция ВПТИСтройдормаша;
в, г — конструкции ИЭС им. Е. О. Патона
полнения. При помощи порошковой ленты решаются те задачи легирования, которые трудно достижимы для порошковой проволоки. Сравнительно небольшая ширина порошковой ленты позволяет более равномерно распределить сердечник по сечению, устраняет его высыпание, а необходимая ширина наплавленного слоя достигается поперечным колебанием электрода при наплавке.
Конструкция порошковой ленты, показанная на рис. 13-10, г, целесообразна при больших коэффициентах заполнения, ее изготовляют без процесса волочения. Это имеет важное ^'значение, так как при тонкой и труднодеформируемой оболочке, например из никеля или кобальта, существует опасность разрывов ленты- оболочки при волочении. Характерной особенностью порошковых лент ПЛ-АН101 и ПЛ-АН102 является их универсальность. Они предназначены для наплавки под флюсом и открытой дугой. Порошковые ленты ПЛ-АН101, ПЛ-АН102 и ПЛ-АН111 выпускаются централизованно промышленностью.
В ВПТИСтройдормаше разработаны также порошковые ленты (см. рис. 13-10, б) ПЛ-У40Х38ГЗРТЮ и ПЛ-УЗОХЗОГЗТЮ для наплавки под флюсом деталей строительных и дорожных машин, работающих в условиях абразивного износа: первая — при отсутствии ударов, вторая — с ударами.
Литую ленту (табл. 13-10) изготовляют бесслитковой прокаткой жидкого металла. Толщина ленты 0,8—1,0 мм с допуском 0,3 мм. Литая лента поставляется в рулонах в отожженном состоянии, она выдерживает изгиб на 180° на оправке радиусом 20 мм.
46 Заказ № 782 721
Таблица 13-10
Состав литых электродных лент, %
Марка ленты
с
S1
Мп
Сг
S
р
ЛЛ-УЗОГС ЛЛ-4Х13
2,8—3,5
0,6—0,8
1,2—1,8
0,4—0,8
0,6—1,5 0,9
14,0—17,0
0,10
0,04
0,10
0,04
Лента ЛЛ-УЗОГС предназначена для наплавки под флюсом АН-28 слоя отбеленного чугуна на детали, работающие в условиях абразивного износа. Твердость наплавленного металла составляет HRC 40—45. Лентой ЛЛ-4Х13 наплавляют под флюсом детали машин, работающие в условиях трения металла о металл с абразивной прослойкой: опорные катки и ролики тракторов и т. п. Преимущество литой ленты —ее относительно низкая стоимость.
Металлокерамическая лента для наплавки предложена ИЭС им. Е. О. Патона и Институтом проблем материаловедения АН УССР. Ее изготовляют холодной прокаткой порошков в горизонтальных валках с последующим спеканием в проходной печи в защитной среде (водород, диссоциированный аммиак). Размер частиц порошков обычно составляет 70—200 мкм; скорость прокатки ленты 10—20 м/мин. В результате спекания в течение 30— 45 с при 1200—1300° С, предел прочности ленты в зависимости от состава достигает 8—20 кгс/мм2. Металлокерамическую ленту выпускают толщиной 0,8—1,2 мм (допуск ±0,1 мм) и шириной 25—100 мм (допуск ±1 мм).
Преимуществом металлокерамической ленты является повышенная производительность наплавки — на 25—30% больше по сравнению с холоднокатаной лентой аналогичного состава. Это обусловлено пористостью электрода, приводящей к соответствующему увеличению электросопротивления, а следовательно, и усиленному нагреву вылета электрода. В металлокерамической ленте легирующие элементы равномерно распределены по ее сечению и длине. Благодаря этому наплавленный металл более однороден, чем при наплавке порошковой лентой. Металлокерамическую ленту можно изготовлять из особо чистых порошков, например с минимальным содержанием углерода. Эта особенность очень важна при наплавке аустенитных хромоникелевых сталей с высокими требованиями к стойкости против межкристаллитной коррозии (табл. 13-11).
Гранулированные порошки. В качестве присадочного материала при плазменной и индукционной наплавке используют гранулированные порошки, изготовляемые путем распыления струи жидкого сплава водой или газом высокого давления. Форма частиц может быть сферической или осколочной. Сфероидизированные порошки отличаются хорошей сыпучестью, не застревают и не зависают в дозирующих устройствах. Для плазменно-порош-
Таблица 13-11
* Состав металлокерамической ленты и наплавленного металла, %
Марка ленты
Материал
с
Мп
Si
Cr
Ni
Mo
Другие элементы
ЛМ-70ХЗМН
Лента
Наплавленный металл
(флюс АН-60)
0,9—1,3 0,70
0,7—1,0 0,8
0,7—0,9 1,0
4,2—5,0 3,0
1,0—1,2 1,0
0,8—1,0 Mo 0,7 Mo
—
ЛМ-5Х4ВЗФС
Лента
Наплавленный металл (флюс АН-60)
0,8—1,0
0,50
^0,3
0,8
=$0,3
0,5
5,0—6,0
4,0
—
3,5—4,5 W;
0,6—0,8 V
3,5 W; 0,4 V
СО
ЛМ-00Х21Н9Г
Лента
Наплавленный металл
(флюс АН-26П)
sg0,03 0,03
1,0—1,5 1,8
0,3—0,5 0,7
28—30 22,0
11—14 9,0
—
ЛМ-ДН70ГТЮ
Лента
Наплавленный металл (флюс АН-60)
sg0,02
0,05
1,0—1,5
1,8
^0,3
0,5
Остальное
»
28—30 Cu; 1,0—1,6 Ti; 0,1 Fe; 26 Cu; 0,4 Ti, 4,0 Fe
ЛМ ХН70ГБМТ
Лента
Наплавленный металл (флюс АН-28)
^0,1
0,1
2,5—3,5
3,0
е=0,2
0,5
22—24
20,0
Остальное
0,8—1,2
1,0
0,8—1,4 Ti; O.lFe;
2,5—3,5 Nb, 0,5 Ti; 2,5 Nb, 4,0 Fe
ковой наплавки используют сферические порошки с размером частиц 40—100 мкм. Порошки осколочной формы применяют для плазменной наплавки по неподвижной присадке и для индукционной наплавки (табл. 13-12).
Порошки на основе никеля с хромом и бором обеспечивают наплавленный металл типа Qa и используются для наплавки плунжеров водяных и кислотных насосов, уплотнительных поверхностей арматуры, выпускных клапанов дизельных двигателей, пресс-форм для стекла и т. п. Порошки на основе кобальта позволяют наплавить металл типа N-кобальтовые стеллиты.
Порошок ПН-АНЗО по своему химическому составу соответствует литым пруткам ВЗК и может заменять их. Порошок ПН-АН131 содержит бор и дает более твердый и износостойкий, но несколько менее пластичный металл. После расплавления он хорошо смачивает наплавляемую поверхность и обеспечивает отличное формирование валиков. Если требуется получить кобальтовый стеллит повышенной пластичности для деталей, испытывающих резкие теплосмены и знакопеременные нагрузки, то рекомендуется применять порошок ПН-АН32. Порошок ПН-АНЗЗ предназначен для плазменной наплавки уплотнительных поверхностей паровой арматуры сверхвысоких параметров.
Составу известного сплава В2К соответствует порошок ПН-АН20. Металл, наплавленный этим порошком, содержит по сравнению с другими стеллитами повышенное количество углерода и вольфрама, обладает максимальной твердостью при нормальной и повышенной температурах. Порошкообразный сплав сормайт 1 (ГОСТ 11545—65) широко используется для индукционной наплавки рабочих органов почвообрабатывающих машин. К порошкообразному сплаву сормайт обязательно примешивают флюсы, обеспечивающие необходимое качество наплавленного слоя.
Наплавочные смеси. Для дуговой наплавки угольным или графитовым электродом присадочным материалом являются гранулированные порошки или наплавочные смеси. Широко используется весьма дешевая наплавочная смесь сталинит, приготовляемая перемешиванием порошков углеродистого феррохрома, ферромарганца и нефтяного кокса с чугунной стружкой. Эту смесь используют для наплавки ножей бульдозеров, козырьков ковшей экскаваторов, листов различных бункеров и транспортеров и других деталей, испытывающих абразивный износ.
Более износостойкий, но и более хрупкий слой обеспечивает смесь БХ (50% борида хрома и 50% железного порошка). Заметное применение нашла смесь КБХ—5% карбида хрома (Сг8С2), 5% борида хрома, 60% феррохрома, 30% железного порошка. Ввиду несовершенства метода легирования, тяжелых условий труда и малой производительности наплавки, а также в связи с развитием механизированных способов наплавки применение наплавочных смесей непрерывно уменьшается.
Таблица 13-12
Состав гранулированных порошков
Марка порошка
Содержание элементов, %
Другие элементы
Наплавленный металл: тип и твердость HRC
с
Si
Сг
в
W
Ni
ПГ-ХН80СР2
0,3—0,6
1,5—3,0
12—15
1,5—2,5
Основа
^ 5 Fe
Qa; 35—40
ПГ-ХН80СРЗ
0,4—0,8
2,5—4,5
12—16
2,0—3,0
—.
»
^ 5 Fe
Qa; 45—50
ПГ-ХН80СР4
0,6—1,0
3,0—5,0
13—17
2,5—4,0
—.
»
=5 5 Fe
Qa; 55—60
ПН-АНЗО
0,9—1,3
1,5—2,5
28—32
—
4-5
2
Со — остальное ^ 2 Fe
N; 38—42
ПН-АН31
0,9—1,3
1,5—2,5
28—32
1,2—1,7
4—5
2
С 2 Fe
N; 48—50
ПН-АН32
0,7—1,0
1,5—2,5
28—32
—
4—5
12—15
^ 2 Fe
N; 37—40
ПН-АНЗЗ
0,9—1,3
2,0—3,0
28—32
—
4—5
2
Со — остальное 5—7 Мо
N; 40—45
ПН-АН20
1,8—2,5
1,0—2,0
28—32
—
13—15
2
Со — остальное
N; 48—55
Порошкообразный сормайт
2,5—3,5
2,9—4,2
25—31
—
—•
3—5
Fe — остальное
G; 50—56
Таблица 13-13
Состав литых прутков для аргоно-дуговой и газопламенной наплавки, %
Марка сплава
с
Si
Мп
Сг
N1
W
Со
Fe
Сормайт прутковый
2,5—3,3
2,8—3,5
1,5
25—31
3—5
Остальное
ВХН-1
0,5—1,2
1,5—2,5
0,5
35—40
50—60
—
—
В2К
1,75—2,25
1,0—2,0
—
28—32
^2
14—17
48—53
взк
0,9—1,3
1,75—2,75
—
28—32
5=2
4,0—5,0
58—63
<^3
Литые прутки (табл. 13-13). Для газопламенной и аргоно-дуговой наплавки, а также иногда в качестве стержней покрытых электродов используют литые прутки диаметром 6—8 мм и длиной до 400 мм, но не менее 100 мм.
§ 13-4. Техника наплавки
Техника наплавки должна при максимальной производительности обеспечивать хорошее формирование наплавленного слоя с целью уменьшения припусков на последующую механическую обработку наплавленных деталей.
Производительность наплавки и регулирование доли основного металла. Производительность наплавки обычно оценивают по количеству металла, наплавленного в единицу времени, например в кг/ч. Для наплавки плавящимся электродом производительность кц1св и — 1000 ’
где кв—коэффициент наплавки, г/А-ч; /св—сила сварочного тока.
Производительность наплавки, выполняемой разными способами и приемами, примерно следующая (кг/ч):
Ручная, штучными электродами0,8—3
Автоматическая под флюсом: одним электродом .. . 2—15
многоэлектродная 5—30
электродной лентой 5—30
Автоматическая и полуавтоматическая в углекислом газе 1,5—8
Автоматическая и полуавтоматическая самозащитной порошковой проволокой: одним электродом 2—9
двумя электродами 5—20
Автоматическая самозащитной порошковой лентой: одним электродом . . . 10—20
двумя электродами До 40
Электрошлаковая: проволочными электродами20—60
электродом большого сечения До 150
Плазменная: с токоведущей присадочной проволокой 2—12
по неподвижной присадке 1,5—6
плазменно-порошковаяДо 12
с подачей двух плавящихся электродов » 30
Механизированная угольным электродом 2—6
Вибродуговая1,2—3
Газоплазменная До 2
При наплавке лемехов и подобных деталей для их самозатачивания в процессе эксплуатации требуется получение тонких слоев. В этом случае более удобно производительность наплавки выражать величиной площади, наплавляемой в единицу времени, например в см2/ч.
Приведенные выше значения максим альной производительности могут быть реализованы не всегда. Например, при наплавке деталей малого диаметра или тонких деталей нельзя использовать большую силу тока из-за стекания металла и возможности прожогов. Высокопроизводительная электрошлаковая наплавка или наплавка лентой часто непригодна для деталей небольшого размера и сложной формы. Однако достичь более высокой производительности принципиально возможно при наличии источников питания соответствующей мощности, более мощных плазменных горелок и т. п. Но в этом случае при увеличении мощности нагрева выше определенного предела возрастают до опасных значений доля основного металла в наплавленном металле и переход из него вредных примесей, а также увеличивается объем жидкого металла и укрупняется первичная структура.
В ряде случаев замедленное охлаждение наплавленного слоя и его отпуск снижают износостойкость и другие качественные показатели наплавленного слоя. Таким образом, часто возникает противоречие между возможностью повысить производительность наплавки за счет увеличения мощности источников нагрева и качеством наплавленного слоя. При наплавке высоколегированных сплавов особенно строго должна быть регламентирована доля основного металла.
Приемы наплавки под флюсом, применяемые для уменьшения доли основного металла (рис. 13-11), используют при наплавке открытой дугой. При наплавке электродной лентой достигается малая глубина проплавления основного металла и появляется возможность наплавить за один проход валик шириной до 100 мм. Влияние силы сварочного тока на долю основного металла при наплавке под флюсом электродной проволокой и лентой показано на рис. 13-12. Точками А отмечены значения силы тока и доли основного металла при производительности наплавки около 6 кг/ч. Сравнивая данные для двух видов электрода, видим, что при равной производительности при наплавке проволокой доля основного металла составляет 65%, а при наплавке лентой — всего 20%.
Рис. 13-11. Наплавка под флюсом: а — электродной лентой; б — миогоэлектродиая;Рис. 13-11. Наплавка под флюсом: а — электродной лентой; б — миогоэлектродиая;в — многодуговая;г — с поперечным колебанием электродав — многодуговая;г — с поперечным колебанием электрода
Рис. 13-11. Наплавка под флюсом: а — электродной лентой; б — миогоэлектродиая;
Рис. 13-11. Наплавка под флюсом: а — электродной лентой; б — миогоэлектродиая;
в — многодуговая;
г — с поперечным колебанием электрода
в — многодуговая;
г — с поперечным колебанием электрода
Рис. 13-12. Влияние силы тока на долю основного металла при наплавке под флюсом лентой сечением 0,6X30 мм (/); 0,6X40 мм (2); 0,6X70 мм (5) и проволокой диаметром 2 мм (4). Точки А соответствуют производительности 6 кг/ч
При многоэлектродной наплавке в зону дуги одновременно подают
несколько электродов, подключенных к одному полюсу источника сварочного тока. В отличие от многоэлектродной сварки электроды располагают не вдоль шва,
а в линию перпендикулярно движению наплавочного аппарата. Дуга периодически перемещается с одного электрода на другой; при этом образуется общая сварочная ванна с небольшой глубиной проплавления основного металла и формируется широкий валик.
Повышение производительности при наплавке лентой и несколькими электродами достигается за счет применения большей силы тока без опасного увеличения глубины проплавления и за счет формирования широких валиков. При многодуговой наплавке (рис. 13-11, в) применяется одновременно несколько наплавочных аппаратов или один аппарат с несколькими изолированными друг от друга электродами, причем каждый электрод питается от отдельного источника тока. Каждая дуга формирует свой валик, общая ванна не образуется. В этом случае производительность наплавки повышается за счет применения нескольких сварочных дуг сравнительно небольшой мощности и обслуживания процесса одним оператором.
При дуговой наплавке плавящимся электродом для уменьшения доли основного металла также используют такие приемы, как наплавка на спуск, установка большого вылета электрода, наклон электрода углом вперед и уменьшение шага наплавки.
При плазменной наплавке также существует ряд приемов, направленных на уменьшение доли основного металла и увеличение производительности по сравнению с обычной наплавкой плазмой прямого действия: плазменно-порошковая наплавка (рис. 13-13), наплавка с токоведущей присадочной проволокой (рис. 13-14) и с двумя плавящимися электродами (рис. 13-15). На этих рисунках обозначено: В — вода, ПГ — плазмообразующий газ, ЗГ—защитный газ, ТГ — транспортирующий газ, П — присадочный порошок.
При плазменно-порошковой наплавке (рис. 13-13) применяют специальную горелку с тремя соплами. Во внутреннем рабочем сопле 2 формируется плазменная струя, по соплу 3 подается присадочный порошок, а по соплу 4—защитный газ. Источник 5 служит для зажигания дуги между электродом 1 и соплом 2.
Рис. 13-13. Плазменно-порошковая наплавкаРис. 13-13. Плазменно-порошковая наплавкаРис. 13-14. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокойРис. 13-14. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокойВ плазменной струе этой дуги плавится порошок. Источник 6 формирует плазменную дугу прямого действия, которая оплавляет поверхность изделия и является дополнительным источником теплоты для плавления присадочного порошка. Регулируя величину тока обеих плазменных дуг, можно регулировать количество теплоты, идущей на плавление присадочного порошка и основного металла. Доля основного металла может регулироваться в широких пределах.
Рис. 13-13. Плазменно-порошковая наплавка
Рис. 13-13. Плазменно-порошковая наплавка
Рис. 13-14. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой
Рис. 13-14. Плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой
Для этого процесса наплавки, в отличие от ранее рассмотренных, меньшая доля основного металла достигается при большей производительности (рис. 13-16). Это связано с тем, что при увеличении подачи гранулированного порошка теплота плазмы расходуется преимущественно на плавление порошка, а не основного металла.
Малую долю основного металла и сравнительно высокую производительность также обеспечивает плазменная наплавка с токоведущей присадочной проволокой, разработанная в Институте металлургии имени А. А. Байкова (см. рис. 13-14). Источником теплоты для расплавления присадочной проволоки является двухдуговой разряд. Одна дуга (маломощная) горит между вольфрамовым электродом 1 и соплом 2, вторая (главная) — между вольфрамовым электродом и проволокой 4. Защитный газ подается по соплу 3. Основной Рис. 13-15.
Плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся (электродов
Рис. 13-16.
Влияние силы тока дуги прямого действия на долю основного металла при различной производительности плазменно-порошковой наплавки (данные П. В Гладкого и Е Ф Переплетчикова)
металл разогревается теплотой перегретого расплавленного металла проволоки и
факелом плазменной струи.
Изменяя при помощи сопротивления 5 и 6 величину тока плазменной дуги и силу тока, проходящего по проволоке, а также устанавливая необходимое расстояние от изделия до горелки
и торца проволоки, можно регулировать долю основного металла и производительность наплавки.
Высокую производительность (до 30 кг/ч) обеспечивает плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся электродов (см. рис. 13-15). В этом способе две проволоки 1, подключенные последовательно к источнику переменного тока 2, подаются в сварочную ванну, создаваемую плазменной дугой прямого действия. Переменный ток, проходящий через проволоки, нагревает их почти до температуры плавления. Нагрев проволок регулируется силой тока и величиной вылета электродов. Сила тока и вылет должны быть такими, чтобы между проволоками не возникала дуга. Подогретые электроды и хвостовая часть ванны защищены газом, поступающим из специального сопла 3, а передняя часть ванны — плазмообразующим газом.
Основные положения по регулированию доли основного металла для электрошлаковой наплавки те же, что и для электро- шлаковой сварки.
Наплавка тел вращения. Наплавку тел вращения вручную штучными электродами или шланговым полуавтоматом открытой дугой выполняют отдельными валиками вдоль образующей или круговыми валиками. В первом случае ось детали располагают горизонтально, а во втором — вертикально. Наплавка отдельными валиками требует прерывания процесса и вызывает значительную деформацию детали вследствие несимметричного нагрева. Для предупреждения коробления необходимо наплавлять валики на диаметрально противоположные стороны детали. При механизированных способах наплавки тела вращения лучше всего наплавлять по винтовой линии или кольцевыми валиками (рис. 13-17).
Наплавку по винтовой линии целесообразно применять на деталях небольшого диаметра (менее 100 мм). Недостаток этого способа заключается в необходимости использовать в наплавочной установке редуктор с большим передаточным числом, который должен обеспечить небольшую величину шага (примерно 3—15 мм
Рис. 13-17. Наплавка тел вращения:Рис. 13-17. Наплавка тел вращения:
Рис. 13-17. Наплавка тел вращения:
Рис. 13-17. Наплавка тел вращения:
а — по винтовой линии,
б — кольцевыми валиками с прерывистым смещением на шаг; в — широким валиком
на каждый оборот изделия) ^Поэтому последние конструкции наплавочных установок, особенно для деталей большого диаметра, обеспечивают наплавку кольцевыми валиками (рис. 13-17, б).
Подача на шаг осуществляется сравнительно простым электромеханическим датчиком, который при каждом обороте изделия дает импульс тока на двигатель тележки, перемещающей наплавочный аппарат вдоль оси изделия. Весьма эффективно применение широкослойной наплавки по схемам, показанным на рис 13-17,s и 13-11, а, б, г. При средних величинах диаметра деталей (100—400 мм) целесообразны поперечные колебания электрода, а при больших — наплавка электродной лентой.
Трудности наплавки тел вращения обусловлены главным образом опасностью стекания сварочной ванны, которая тем больше, чем меньше диаметр изделия и чем длиннее сварочная ванна, (рис. 13-18). Для того чтобы избежать стекания металла, электрод смещают относительно оси изделия против направления вращения детали и выбирают такой режим наплавки, при котором длина сварочной ванны не превышает допустимую.
По сравнению с обычной наплавкой одним проволочным электродом широкослойная наплавка (многоэлектродная, лентой, с поперечным колебанием электрода) при прочих равных параметрах режима обеспечивает более короткую сварочную ванну. Поэтому широкослойная наплавка позволяет для данного диа
метра детали повысить силу тока, а значит повысить и произво-
Рис. 13-19. Зависимость оптимальных диапазонов силы тока от диаметра детали, наплавляемой под флюсом:
/ — одним электродом диаметром 3—3.5 мм;
2 — одним электродом диаметром 4 — 5 мм;
3 — тремя электродами диаметром 3—3,5 мм и лентой сечением 0,5x50 мм
ванны способствует стеканию металла. Кроме того, при наплавке открытой дугой исключается операция удаления шлаковой корки, осуществление которой при наплавке малых диаметров особенно затруднено.
Величина смещения электрода с зенита (при наплавке наружных поверхностей) и от нижней точки (при наплавке внутренних
поверхностей) составляет 10—50 мм; ее выбирают так, чтобы
не происходило ссыпания флюса и затекания шлака вперед (по
направлению вращения детали), а также стекания металла назад. Окружная скорость составляет 10—60 м/ч (наплавка одним электродом). Чем меньше диаметр детали, тем меньше должна быть скорость наплавки. Шаг наплавки (расстояние между осями двух соседних валиков) назначают в зависимости от толщины
слоя, а также силы тока, напряжения и размеров электрода. При наплавке одним проволочным электродом шаг наплавки составляет 3—12 мм. Излишне малый шаг может привести к образованию подворотов и непроваров, излишне большой — к чрезмерно высокой доле основного металла.
Детали малого диаметра на многих предприятиях ремонтируют при помощи вибродуговой наплавки, которая благодаря вибрации
электрода позволяет вести процесс на малых режимах с периодическими короткими замыканиями и с переносом электродного металла мелкими порциями в каждый цикл процесса. Небольшие размеры сварочной ванны допускают наплавку деталей малого диаметра с небольшим износом. Подача в дугу или рядом с ней струи жидкости способствует не только сокращению времени пребывания металла в жидком состоянии, но и закалке наплавленного слоя. Сравнительно небольшое тепловложение в деталь при этом способе позволяет устранить деформации детали.
Металл, наплавленный вибродуговым методом в струе жидкости, имеет дефекты в виде мелких пор и трещин. Из-за этих дефектов детали, испытывающие циклическую нагрузку и работающие на усталость, восстанавливать таким способом недопустимо. Разработаны и нашли применение разновидности вибродуговой наплавки под флюсом, в среде углекислого газа, аргона, азота, водяного пара и в потоке воздуха.
Наплавка конических поверхностей не представляет затруднений, если образующая конуса наклонена по отношению к горизонтальной оси вращения под углом не более 20° (наплавка под флюсом) и 30—40° (наплавка открытой дугой). При этом наплавку
ведут обязательно снизу вверх. При больших углах наклона образующей конуса наплавку выполняют на специальных станках и установках, снабженных манипулятором для размещения наплавляемой поверхности в горизонтальном положении. Тела вращения сложной формы можно наплавлять при горизонтальном положении оси вращения. В этом случае предпочтительно применение открытой дуги, так как при наплавке под флюсом требуются специальные флюсоудерживающие приспособления. Наилучшие результаты все же достигаются при наплавке на специализированных станках, позволяющих наклонять ось вращения изделия так, чтобы наплавляемая поверхность была в горизонтальном или близком к нему положении.
Наплавку внутренних поверхностей целесообразно выполнять открытой дугой, так как при этом способе нет необходимости иметь сложные устройства для подачи и удаления флюса и исключается чрезвычайно трудоемкая операция удаления шлаковой корки.
Для наплавки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей также используют электрошлаковый процесс. По сравнению с дуговой наплавкой это менее универсальный способ, но он весьма эффективный в тех случаях, когда на деталь необходимо наплавить слой металла большой толщины (более 14— 16 мм). Этот способ наплавки, как правило, сочетается с принудительным формированием наплавленного слоя. Поэтому формирующие устройства (кристаллизаторы, ползуны, формы) являются важнейшим элементом устройств для наплавки, их конструируют в зависимости от формы и размеров наплавляемой детали (рис. 13-20).
При электрошлаковой наплавке в качестве электродов используют проволоку, прокатанные или литые стержни и пластины, а также трубы. Благодаря применению больших токов (несколько тысяч ампер) и электродов большого сечения достигнута очень высокая производительность — до 150 кг наплавленного металла в час. Электрошлаковую наплавку применяют для восстановления и упрочнения прокатных валков и других деталей.
Рис. 13-20.Электр ошлаковал наплавка наружных цилиндрических поверхностей проволочным (а) и трубчатым (б) электродом:1 — электрод;2 — кристаллизатор;3 — наплавляемая деталь;4 — наплавленный слой;5 — сварочная ваннаРис. 13-20.Электр ошлаковал наплавка наружных цилиндрических поверхностей проволочным (а) и трубчатым (б) электродом:1 — электрод;2 — кристаллизатор;3 — наплавляемая деталь;4 — наплавленный слой;5 — сварочная ванна
Рис. 13-20.
Электр ошлаковал наплавка наружных цилиндрических поверхностей проволочным (а) и трубчатым (б) электродом:
1 — электрод;
2 — кристаллизатор;
3 — наплавляемая деталь;
4 — наплавленный слой;
5 — сварочная ванна
Рис. 13-20.
Электр ошлаковал наплавка наружных цилиндрических поверхностей проволочным (а) и трубчатым (б) электродом:
1 — электрод;
2 — кристаллизатор;
3 — наплавляемая деталь;
4 — наплавленный слой;
5 — сварочная ванна
Наплавка плоских поверхностей. При наплавке плоских поверхностей, например защитных листов бункерных устройств, ножей для резки металла, ножей бульдозеров и т. д., требуется наплавить возможно большую площадь при наименьшей глубине проплавления основного металла и минимальном короблении деталей.
Простейший способ наплавки под флюсом — наплавка отдельных валиков на таком расстоянии друг от друга, чтобы не нужно было удалять шлаковую корку отдельно с каждого валика. Шлак удаляют со всех валиков сразу, затем наплавляют валики в свободных промежутках, чтобы получить по возможности ровную поверхность. При таком способе много времени затрачивается на насыпание и удаление флюса. Провар основного металла получается глубокий, в результате чего возникает значительное коробление изделия.
Более совершенна широкослойная наплавка, когда электроду сообщено поперечное колебательное движение и в каждом крайнем положении совершается дополнительное движение электрода или изделия на шаг наплавки. Электрод при этом возвращается к краю наплавляемой полосы до затвердевания шлаковой корки. В зависимости от режима и вязкости применяемого шлака возможна наплавка полосы шириной до 400 мм без удаления шлаковой корки и насыпанного флюса. Глубина проплавления в данном случае может быть уменьшена по сравнению с наплавкой отдельными валиками, кроме того, меньше затраты времени на удаление шлаковой корки.
Более производительны многоэлектродная наплавка и наплавка электродной лентой (табл. 13-14 и 13-15). Наплавка лентой — более надежный процесс благодаря более простой конструк
ции механизма подачи электрода.
Износостойкую наплавку плоских поверхностей целесообразно также выполнять порошковой проволокой и лентой открытой дугой, сообщая электроду поперечные колебания с необходимым размахом. Так как в данном случае отсутствует шлаковая корка большой толщины, то размах колебаний электрода практически
/св, А
цд. В
Скорость, м/ч
подачи
наплавки
500—550
30—32
49
20—25
600—700
30—32
64
26—30
850—900
32—34
83
28—30
Таблица 13-14Таблица 13-14Режим трехэлектродной наплавки под флюсом порошковыми проволоками ПП-ЗХ2В8 и ПП-АН120Режим трехэлектродной наплавки под флюсом порошковыми проволоками ПП-ЗХ2В8 и ПП-АН120неограничен. Это обстоятельство, а также отсутствие затрат времени на удаление шлаковой корки и уборку флюса позволяют дополнительно повысить производительность наплавки. При наплавке с поперечными колебаниями электрода наплавляемая полоса может образовываться из общей ванны или из отдельно сформированных поперечных валиков.
Таблица 13-14
Таблица 13-14
Режим трехэлектродной наплавки под флюсом порошковыми проволоками ПП-ЗХ2В8 и ПП-АН120
Режим трехэлектродной наплавки под флюсом порошковыми проволоками ПП-ЗХ2В8 и ПП-АН120
Наплавку с общей ванной применяют, если требуется на-
Таблица 13-15
Режим наплавки под флюсом электродной лентой
Размер леиты, мм
Материал ленты
1 св- А
ид’ В
Скорость, м/ч
подачи
наплавки
0,5X30
Сталь 08кп
500—550
32—34
50,0
6—10
0,5X40
600—650
32—34
43,8
8—12
0,5X40
950—1000
32—36
75,0
10—15
0,5X50
700—750
32—34
43,8
8—12
0,5X50
950—1000
32—35
57,2
10—15
0,5X70
800—850
32—34
32,2
8—12
0,5X70
1200—1300
32—36
50,0
10—12
0,5Х 100
Х18Н9Т
900—950
32—34
50,0
8—12
0,6X65
500—550
30—32
43,0
8—10
1,0X50
Бр АМц 9 4
650—700
35—38
64,0
8—10
0,8Х 100
М-1
1200—1300
30—32
60,0
10—12
плавлять сравнительно узкие полосы (до 100 мм), так как при больших размерах сварочной ванны во избежание стекания жидкого металла наплавляемую деталь необходимо устанавливать в строго горизонтальном положении. Кроме этого, особенно при наплавке чугуна на сталь, возможно образование трещин с большим раскрытием и неблагоприятной ориентацией по отношению к разрушающим нагрузкам. При необходимости наплавить за один проход широкие полосы целесообразна наплавка с формированием
отдельных валиков.
На рис. 13-21 представлены границы образования общей ванны при широкослойной наплавке открытой дугой порошковой лентой ПЛ-АН101 (см. табл. 13-8 и 13-9) с размахом колебаний электрода 200 мм. При уменьшении скорости колебаний электрода и шага наплавки, а также при увеличении силы тока дуги образуется общая ванна. При прочих равных параметрах режима этому способствует и уменьшение размаха колебаний. Шагом наплавки в данном случае называется величина перемещения электрода в направлении, перпендикулярном к направлению
колебательного движения электрода. Шаг осуществляется в каждом крайнем положении электрода.
Рис.' 13-21.
Граница образования общей ванны при широкослойной наплавке в зависимости от силы тока I, скорости поперечного движения vK и шага наплавки /
Рис. 13-22. Электрошлаковая наплавка плоской (д) и торцовой (б) поверхностей:
— электрод,
— ползун илн кристаллизатор;
— наплавляемая деталь;
— наплавленный слой, 5 — сварочная ванна
Электрошлаковую наплавку плоских поверхностей можно производить при вертикальном, нижнем и наклонном положениях наплавляемой поверхности. В качестве электродного материала используют про
волоку сплошного сечения или порошковую, а также прокат различного профиля и литые стержни (рис. 13-22, а\ Поперечные колебания электрода происходят по всей ширине детали. Для получения устойчивого электрошлакового процесса необходимо, чтобы глубина шлаковой ванны была не менее 30 мм. При уменьшении глубины ванны до 10—15 мм электрошлаковый процесс переходит в дуговой либо перемежающийся, при этом возможно образование непроваров.
Торцовые поверхности можно наплавлять электродом большого сечения (рис. 13-22, б). Шлаковая ванна наводится с помощью электропроводного флюса АН-25. Для получения полного сплавления наплавленного слоя с основным необходимо, чтобы площадь поперечного сечения электрода была примерно равна площади наплавляемой поверхности. В противном случае для получения полного сплавления необходимо применять электрод переменного сечения либо сообщать электроду соответствующее перемещение по наплавляемой поверхности.
Наплавка деталей сложной формы. При наплавке деталей сложной формы возможность визуального наблюдения за дугой и управление ею имеют большое значение. Наплавка под флюсом, несмотря на ряд преимуществ, исключает визуальное наблюдение за формированием валиков, часто требует использования различных флюсоудерживающих и формирующих устройств, вызывает пока непреодолимые трудности при работе в различных простран
ственных положениях.
Еще не найдены надежные и универсальные технические решения для механизации процесса удаления шлаковой корки, и в большинстве случаев для выполнения этой операции требуется тяжелый ручной труд. Поэтому длительное время применялась малопроизводительная ручная наплавка штучными электродами. В последние годы при восстановлении и упрочнении многих деталей сложной формы, а также деталей малого диаметра и глубоких внутренних поверхностей широкое применение нашла автоматическая и полуавтоматическая наплавка самозащитной порошковой проволокой, разработанной в ИЭС им. Е. О Патона. Простота
Рис. 13-23. Стыко-шлаковая наплавка:
/ — изделие;
— легированный электрод;
— держатель;
— медный кокиль. Справа — наплавленное изделие
процесса, маневренность и возможность получения практически любого состава наплавленного металла, а также в 3—5 раз более высокая производительность по сравнению с наплавкой штучными электродами способствовали быстрому распространению этого способа наплавки.
Образующаяся на поверхности валиков тонкая пленка шлака не мешает наложению
очередных валиков, а значит нет необхо
димости непрерывно удалять шлаковую корку. Это позволяет одному оператору обслуживать при автоматической наплавке несколько аппаратов. При наплавке крупных деталей вместо порошковой проволоки используют близкую по составу порошковую ленту, что дает дополнительный выигрыш в производительности. Наплавку сложных деталей также выполняют порошковой или сплошной проволокой в защитных газах.
Для изготовления деталей с торцовой наплавкой сложной формы используют прием стыко-шлаковой наплавки (рис. 13-23). Процесс начинается наведением шлаковой ванны на дне водоохлаждаемой формы. Электродом служит хвостовик детали с приваренной пластиной или прутком из легированного металла, которые и расплавляются в первую очередь. В момент погружения хвостовика в шлак скорость подачи сперва уменьшают (для прогрева торца детали), а затем увеличивают до погружения детали в металлическую ванну. Происходит сварка хвостовика и отливки. Таким приемом успешно наплавляют зубья экскаваторов.
§ 13-5. Технология наплавки металла различного состава
При рассмотрении технологии наплавки наплавленный металл разделен на типы в соответствии с проектом классификации МИС.
Нелегированные или низколегированные стали с содержанием менее 0,4% С типа А в качестве наплавленного металла используют главным образом для восстановления размеров деталей и образования подслоя при последующей наплавке износостойкими сплавами (табл. 13-6, 13-7, 13-8, 13-9). Применяют следующие способы наплавки: ручную дуговую штучными электродами, механизированную под флюсом и в защитных газах, реже — элек- трошлаковую. Типичные составы наплавленного металла: 15ХГ2С, 20Х2Г2М, 20ХГТ, 25ХЗГ2, 08Г, 08ГС и 15Г2С. Последние два со-
47 Заказ № 782 737
става получают при помощи стандартной сварочной проволоки в сочетании с обычными флюсами АН-348-А, АН-60 и ОСЦ-45. Основные технологические особенности наплавки те же, что и сварки близких по составу сталей.
Наплавку часто производят на основной металл с повышенным содержанием углерода (стали 45, 50, 50Х) и серы (35ЛК, ЗОЛ и т. п.). В данных случаях во избежание появления кристаллизационных трещин необходимо использовать приемы наплавки, обеспечивающие уменьшение доли основного металла (см. рис. 13-11).
На микроструктуру и твердость наплавленного металла, особенно в случаях комплексного легирования хромом, никелем и молибденом, оказывает влияние скорость охлаждения при температурах распада аустенита. Чрезмерное увеличение скорости охлаждения может привести к частичному образованию мартенсита в околошовной зоне и наплавленном слое. Это сопровождается увеличением твердости и хрупкости сплава, не говоря уже о возможности образования трещин. Наоборот, чрезмерное уменьшение скорости охлаждения, например при широкослойной наплавке, обусловливает распад значительной части аустенита при высоких температурах с образованием перлита. В результате снижаются твердость и износостойкость наплавки. При наплавке массивных деталей оптимальные свойства наплавленного слоя достигаются при предварительном подогреве до температуры 200— 250° С. При наплавке небольших деталей для подогрева достаточно теплоты дуги.
Наплавленный металл типа В (нелегированные или низколегированные стали с содержанием более 0,4% С) получают при дуговой наплавке посадочных мест различных валов, шеек коленчатых валов, а также при восстановлении и упрочнении деталей ходовой части гусеничных машин. Типичные составы наплавленного металла: 45Х5Г (табл. 13-6), 70ХЗМН (табл. 13-11), 80Х4СГ, 60Х2СМ и др. Основную трудность при наплавке металла этого типа представляет повышенная склонность наплавленного слоя к образованию кристаллизационных и холодных трещин. Предварительный подогрев до температуры 350—400°С позволяет в большинстве случаев избежать трещин. Если наплавленный металл подлежит механической обработке, то изделие отжигают, при этом твердость снижается до HRC 20—25. После механической обработки следует закалка до HRC 50—60.
Металлы 80Х4СГ и 60Х2СМ наплавляют соответственно электродами 13КН/ЛИВТ и ЭН-60М, а металлы 45Х5Г и 70ХЗМН — с использованием легирующего керамического флюса АНК-19 (проволока Св-08А) и металлокерамической ленты ЛМ-70ХЗМН.
Аустенитный высокомарганцевый металл типа С рекомендуется для наплавки деталей, испытывающих абразивный износ в сочетании с сильными ударами. Типичным представителем рассматриваемого типа является сталь ПО Г13, содержащая около 1,2% С 738
Рис. 13-24. Структурные диаграммы марганцевых сталей при быстром (а) и медленном (б) охлаждении от температуры 1000° СРис. 13-24. Структурные диаграммы марганцевых сталей при быстром (а) и медленном (б) охлаждении от температуры 1000° СА — аустенит, М — мартенсит.А — аустенит, М — мартенсит.С — сорбит, Т — трооститС — сорбит, Т — трооститК — карбиды, П — перлит,К — карбиды, П — перлит,
Рис. 13-24. Структурные диаграммы марганцевых сталей при быстром (а) и медленном (б) охлаждении от температуры 1000° С
Рис. 13-24. Структурные диаграммы марганцевых сталей при быстром (а) и медленном (б) охлаждении от температуры 1000° С
А — аустенит, М — мартенсит.
А — аустенит, М — мартенсит.
С — сорбит, Т — троостит
С — сорбит, Т — троостит
К — карбиды, П — перлит,
К — карбиды, П — перлит,
и 12% Мп. В зависимости от содержания углерода и марганца, а также скорости охлаждения с высоких температур наплавленный металл приобретает различную микроструктуру (рис. 13-24) и свойства.
При быстром охлаждении с температур выше примерно 950° С стали, содержащие 0,8—1,6% С и 12—20% Мп, приобретают стабильную аустенитную структуру и отличаются высокой прочностью и пластичностью. Благодаря высокой растворимости углерода в у-твердом растворе (при большом содержании марганца) карбиды отсутствуют. В таком состоянии твердость наплавленного металла невелика, всего НВ 180—220.
Примечательным свойством такого наплавленного металла является способность к упрочнению при холодной деформации благодаря появлению мартенсита по плоскостям скольжения. Твердость в деформированной зоне возрастает до НВ 550. Таким образом, указанные свойства (пластичность сердцевины и высокая твердость на рабочей поверхности) могут быть реализованы при условии получения исходной аустенитной структуры и обязательного воздействия на рабочую поверхность ударов и давлений, способных вызвать пластическое деформирование. При отсутствии такого нагружения поверхностный слой не обладает какими- либо существенными преимуществами и изнашивается подобно обычной низкоуглеродистой стали.
При медленном охлаждении (см. рис. 13-24) происходит распад аустенита и выделение карбидов цементитного типа по границам зерен. Такой наплавленный металл хрупок, склонен к трещинам и отколам. Выделяются карбиды и при нагреве. Поэтому стали типа С не рекомендуются для работы при повышенных температурах, если требуется сохранить их пластичность.
47* 739
Технологию наплавки сталей типа С строят с учетом рассмотренных выше особенностей. Для того чтобы избежать охрупчивания наплавленного слоя и околошовной зоны (при наплавке на сталь 110 Г13), процесс наплавки необходимо вести с минимальным тепловложением: малые силы тока и напряжения дуги, узкие валики, повышенная скорость наплавки, периодическое прекращение процесса и изменение места наплавки.
При соблюдении этих условий, а также при наплавке на массивные детали скорость охлаждения оказывается достаточной для получения чистоаустенитной структуры. Широкослойную наплавку, которая в данном случае создает неблагоприятный термический цикл, чаще всего применить не удается. Для наплавки используют штучные электроды и порошковую проволоку.
При наплавке открытой дугой, при прочих равных условиях, обеспечивается более быстрое охлаждение валиков, чем при наплавке под флюсом. Поэтому наибольшее распространение получила наплавка самозащитной порошковой проволокой, например ПП-АН105 (см. табл. 13-8). Наплавленный металл дополнительно легирован никелем (3—4%), при этом увеличивается устойчивость аустенита и появляется возможность увеличить критическую скорость охлаждения. Частым дефектом являются кристаллизационные трещины, которые возникают при повышенном содержании фосфора. Наплавка стали 110Г13 на углеродистые стали применяется реже из-за отколов наплавленного слоя.
Технологические особенности наплавки аустенитного хромоникелевого металла типа D во многом совпадают с особенностями сварки хромоникелевых коррозионностойких сталей (см. гл. 10). При наплавке на углеродистую сталь важно обеспечить минимальную долю основного металла и минимальное содержание углерода в наплавленном слое, если от него требуется повышенная стойкость против межкристаллитной коррозии. Поэтому значительное распространение нашла широкослойная наплавка под флюсом электродной лентой.
Металлокерамическая лента, изготовляемая из чистых по углероду порошков, позволяет достичь при многослойной наплавке минимального содержания углерода и высокой стойкости слоя против межкристаллитной коррозии. Примером такой ленты является металлокерамическая лента ЛМ-00Х21Н9Г (см. табл. 13-11), применяемая для наплавки под пемзовидным флюсом АН-26 фланцев, патрубков и сосудов химической и нефтехимической аппаратуры, а также энергетических устройств.
Наплавленный металл типа Е — хромистые стали — в зависимости от содержания углерода и хрома имеет ферритную, полу- ферритную и аустенитно-мартенситную микроструктуру. При содержании более 1,0% Си более 10% Сг в структуре появляется карбидная эвтектика (ледебурит). По своей структуре и свойствам такие стали приближаются к доэвтектическим высокохромистым чугунам.
Коррозионностойкие хромистые стали применяют для наплавки деталей общепромышленной газовой и нефтяной трубопроводной арматуры, работающей при температурах до 400—450° С, плунжеров прессов и некоторых видов штампов, а также для наплавки камер проточного тракта гидротурбин. Для наплавки трубопроводной арматуры используют порошковую проволоку с внутренней защитой ПП-АН106, а для наплавки камер гидротурбин — порошковую проволоку ПП-АН138 (см. табл. 13-8 и 13-9).
Во избежание образования пор наплавку необходимо выполнять при напряжении дуги не более 24—26 В. Обрезные штампы, а также уплотнительные поверхности арматуры наплавляют электродами НЖ-2 (тип ЭН-25Х12-40). При содержании более 0,2% С наплавленный металл склонен к образованию трещин. Поэтому применяют предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 300—350° С.
Ледебуритные стали Х12М, Х12ВФ наплавляют под флюсом порошковыми проволоками ПП-АН103 и ПП-АН104 (табл. 13-8 и 13-9). Наплавка сталей Х12, содержащих 1,8—2,0% С, сопряжена с известными трудностями вследствие склонности наплавленного металла к образованию холодных и кристаллизационных трещин. Если холодные трещины удается устранить подогревом деталей до температуры 400—550° С и последующим замедленным охлаждением, то этого не всегда можно достичь в отношении кристаллизационных трещин.
Кристаллизационные трещины в ледебуритных сталях Х12 возникают вследствие выделения в процессе кристаллизации легкоплавких карбидных эвтектик. Трещины не возникают при условии, если наплавленный металл содержит 1,5—2,5% С. При таком содержании углерода количество эвтектики увеличивается настолько, что она свободно перемещается между дендритами аустенита и может «залечивать» трещины. Таким образом, при наплавке сталей Х12 на низкоуглеродистую сталь необходимо стремиться к минимальной доле основного металла, в противном случае первый слой будет поражен кристаллизационными трещинами из-за недостаточного количества карбидной эвтектики, способной «залечивать» трещины.
Твердость наплавленного металла Х12 сравнительно невысока и составляет HRC 40—44, что объясняется наличием в структуре большого количества остаточного аустенита. Твердость можно увеличить высоким отпуском при температуре 500—550° С (до HRC 55—60). Для возможности механической обработки наплавленное изделие отжигают. Отжиг заготовок следует выполнять по изотермическому циклу: нагрев до температуры 870—900° С, выдержка 1,0—2,0 ч, охлаждение с печью до температуры 700° С, выдержка 5—8 ч, дальнейшее остывание на воздухе. Твердость после такого отжига составляет HRC 25—29. Закалку производят на первичную или вторичную твердость с последующим отпуском по режимам для инструментальных штамповых сталей типа Х12.
Наплавку быстрорежущих сталей типа F применяют преимущественно при изготовлении биметаллического режущего инструмента. Для этого используют штучные электроды марок ЦИ-1М, ЦИ-1Л, ЦИ-1У (тип ЭН-80В18Х4Ф-60), а также прутки и порошковую проволоку. В связи с развитием производства литого инструмента, при котором широко используют отходы быстрорежущих сталей, изготовление наплавленного инструмента в последние годы сократилось. Целесообразно наплавлять только многолезвийный инструмент больших размеров.
Наплавка быстрорежущих сталей сопряжена с трудностями из-за склонности наплавленного слоя к образованию трещин. Для устранения трещин необходимы предварительный и сопутствующий подогрев заготовок до температуры 500—600° С и последующее их охлаждение в печи. Наплавляют в выфрезерованные в заготовке канавки, расположенные в местах режущих кромок многолезвийного инструмента. Удаление шлаковой корки из таких канавок затруднено вследствие заклинивания и высокой температуры заготовки. Поэтому применение наплавки под флюсом сопряжено со многими неудобствами.
Лучшие результаты могут быть достигнуты при наплавке порошковой проволокой с внутренней защитой или в защитных газах. За рубежом ручную наплавку крупных фрез производят, помещая заготовку в печь с температурой 600—700° С. Печь снабжена специальным отверстием, через которое имеется доступ к наплавляемому зубу, причем сварщик защищен от теплового излучения специальным экраном.
Классический состав быстрорежущей стали, например марки Р18, выбран исходя из соображений не только высокой красностойкости, но и хороших технологических свойств (возможности ковки, прокатки и т. п.). Например, увеличение содержания ванадия и углерода в быстрорежущей стали позволяет увеличить ее красностойкость, но это ухудшает технологические свойства стали.
При наплавке, когда нет необходимости заботиться о сохранении хорошей пластичности металла в процессе прокатки или ковки, появляются дополнительные возможности в изменении состава по сравнению с классическим для получения максимальной красностойкости и износостойкости наплавленного металла. Тем не менее большая трудоемкость наплавки, трудности механической обработки наплавленного слоя и его неоднородность по составу и свойствам сдерживают изготовление и применение наплавленного инструмента.
Высокохромистые специальные чугуны являются наиболее распространенным типом наплавленного металла, используемого для упрочнения деталей, испытывающих абразивный, газоабразивный и гидроабразивный износ. Более высокой износостойкостью обладают заэвтектические чугуны, содержащие в структуре первичные карбиды хрома типа Ме7С3 (рис. 13-25). Дополнительное
742
Рис. 13-25. Упрощенная структурная диаграмма наплавленных высоко- хромистых чугунов
легирование высокохромистого чугуна бором существенно повышает его абразивную износостойкость, но снижает ударостойкость.
Высокохромистые чугуны исполь
зуют для наплавки зубьев экскава
торов, ножей бульдозеров, деталей загрузочных устройств домен
ных печей и т. п. Для наплавки металла этого типа разра
ботано много составов и разновидностей наплавочных материалов. К ним относятся, например, штучные электроды ЦС-1 и ГН-1 (тип ЭН-У30Х28С4Н4-50), порошковые проволоки и ленты ПП-АН101, ПЛ-АН 101, гранулированные порошки
и др.
Наплавленный металл склонен к образованию холодных трещин, предупредить которые, особенно при наплавке крупных деталей, очень трудно. Поэтому в большинстве случаев наплавленные детали эксплуатируют с трещинами в наплавленном слое. Так как эти трещины чаще всего не переходят в основной металл и мало влияют на абразивную износостойкость и общую работоспособность детали, то этот дефект часто считается вполне допустимым. Тем не менее при гидро- и газоабразивном износе трещины, расположенные вдоль потока с абразивными частицами, являются
очагом разрушения наплавленного слоя.
Условия образования холодных трещин при наплавке высоко- хромистых чугунов исследовали на примере типичного представителя этого класса — сплава сормайт 1 (300X25H3C3). Наплавку выполняли порошковой лентой ПЛ-АН 101 одиночными валиками с поперечными колебаниями на режимах, обеспечивающих формирование слоя не в общей ванне (см. рис. 13-21). Холодные трещины появляются при температурах ниже 300° С, преимущественно при 20—250° С, причем скорость охлаждения на температуру образования трещин практически не влияет. Это обусловлено близостью величины временных и остаточных напряжений в наплавленном слое к пределу прочности наплавки при температурах ниже 300° С (рис. 13-26).
Поскольку максимальные напряжения в наплавленном металле в значительной степени определяются пределом текучести основного металла оф м, вероятность образования холодных трещин можно в какой-то мере характеризовать отношением Ов/о? м> где о”— предел прочности наплавленного металла. При а"/сфм > 1 вероятность возникновения трещин невелика. При оф/ о° м < 1 трещин тем больше, чем меньше это отношение (см. зоны А и В на рис. 13-26).
Рис. 13-26.
Зависимость от температуры предела прочности наплавленного металла аЕ> предела текучести основного металла ат и максимальных продольных напряжений в наплавленном слое о2г
А — зона высокой вероятности образования трещин,
В — зона малой вероятности образования трещин
Рис. 13-27.
Двухдуговая наплавка порошковой лентой с поперечным колебанием электрода
о — направление поперечных колебаний электродов
иш — направление движения изделия на шаг наплавки при крайних положе ииях электродов
Указанные неравенства должны соблюдаться для всего диапазона температур, при которых возможно образование холодных трещин. Отсюда следует важный практический вывод: для уменьшения вероятности образования холодных трещин наплавку необходимо выполнять на основном металле или подслое с возможно низким пределом текучести, применение же подслоя из легированных сталей с высоким от (что иногда встречается на практике) приведет к увеличению количества трещин. Предварительный подогрев деталей до температуры 400—600° С и последующее замедленное охлаждение в печи позволяют устранить холодные трещины, но такая технология применима лишь для деталей небольшого размера и простой формы.
Высокохромистые чугуны обладают повышенной абразивной износостойкостью при заэвтектической структуре. Поэтому при наплавке таких чугунов на низкоуглеродистую сталь важно стремиться к минимальной доле основного металла, иначе наплавленный слой из-за разбавления основным металлом будет содержать мало хрома и углерода и приобретет доэвтектическую или эвтектическую структуру (см. рис. 13-25) с пониженной износостойкостью.
При наплавке заэвтектического сплава сормайт 1 порошковой лентой ПЛ-АН 101, сравнительно широко применяемой в промышленности для уменьшения доли основного металла, используют прием, показанный на рис. 13-27. Для того чтобы сохранить высокую производительность (около 30 кг/ч) при минимальной доле основного металла, в этом приеме использованы повышенный вылет электрода, поперечные колебания электрода и умеренные токи на двух одновременно горящих дугах (рис. 13-28).
Наплавку деталей сложной формы и небольших размеров выполняют шланговыми полуавтоматами порошковыми проволоками 744
с внутренней защитой ПП-АН124, ПП-АН125, ПП-АН170 (табл. 13-8 и 13-9). При наплавке этими проволоками лучшие результаты по формированию валиков и уменьшению доли основного металла достигаются при поперечном колебании электрода с размахом 20—40 мм и вылете электрода 40—70 мм. Силу тока выбирают в зависимости от размеров и формы детали чаще всего равной 300—350 А, но возможна наплавка и на токах силой до 500 А. Ток постоянный, обратной полярности. При наплавке на переменном токе возрастают потери на разбрызгивание.
Хромовольфрамовые теплостойкие стали типа Н используют для наплавки деталей, подверженных действию больших давлений и теплосмен. Наплавку осуществляют штучными электродами ИН-1 (тип ЭН-ЗОХЗВ8-4О), сплошной и порошковой проволокой, а также металлокерамической лентой (см. табл. 13-4, 13-7, 13-8, 13-9, 13-11). Наибольшее распространение получила наплавка порошковыми проволоками ПП-ЗХ2В8 и ПП-25Х5ФМС под флюсом АН-20 применительно к восстановлению и упрочнению стальных валков горячей прокатки.
Для предупреждения трещин, снижения внутренних напряжений и получения оптимальной структуры наплавленного металла необходим предварительный подогрев деталей до температуры 350—400° С. Наиболее удобен индукционный нагрев токами промышленной частоты; массивные детали диаметром свыше 650 мм целесообразно медленно нагревать в печи. Режим наплавки: 7Св = 300—350 A, U„ = 28—30 В, скорость наплавки 36—■ 42 м/ч, шаг 6—8 мм. После наплавки обеспечивают замедленное охлаждение в утепленном коробе, а для массивных деталей —■ отпуск при температуре 520—540° С и охлаждение вместе с печью.
Наплавку деталей сложной формы и глубоких внутренних поверхностей выполняют порошковой проволокой с внутренней защитой (ПП-АН130, ПП-2Х4ВЗФ-0 и др.). Наиболее частым дефектом при этом являются поры в наплавленном слое, что связано с несоблюдением режимов наплавки. Наплавка порошковой проволокой с внутренней защитой требует строгого соблюдения рекомендуемых для данной проволоки режимов, особенно заданного напряжения дуги.
При повышении напряжения /^ дуги ухудшаются условия за- W00 щиты, наплавленный металл обогащается азотом и появляются 900 поры. Проволоке соответствует
Рис. 13-28.Влияние силы тока и вылета электрода на структуру наплавленного металла Порошковая лента ПЛ-АН 101, размах колебаний 200 мм, скорость поперечного перемещения дуги 60 м/ч, шаг 11—12 ммРис. 13-28.Влияние силы тока и вылета электрода на структуру наплавленного металла Порошковая лента ПЛ-АН 101, размах колебаний 200 мм, скорость поперечного перемещения дуги 60 м/ч, шаг 11—12 мм700
Рис. 13-28.
Влияние силы тока и вылета электрода на структуру наплавленного металла Порошковая лента ПЛ-АН 101, размах колебаний 200 мм, скорость поперечного перемещения дуги 60 м/ч, шаг 11—12 мм
Рис. 13-28.
Влияние силы тока и вылета электрода на структуру наплавленного металла Порошковая лента ПЛ-АН 101, размах колебаний 200 мм, скорость поперечного перемещения дуги 60 м/ч, шаг 11—12 мм
600
о 20 80 60 80 100 120 100 мм Вылет электрида
Рис.Рис.13-29. Влияние напряжения дуги на содержание азота и образование пор в металле, наплавленном порошковой проволокой ПП АН130" Д(/т с и At/hp — рабочий и критический диапазоны напряжений, сила тока 300 А
Рис.
Рис.
вполне определенный диапазон напряжений, при котором поры не образуются (А(/кр). Имеется также диапазон напряжений, при котором реализуются высокие
наплавочно-технологические свойства проволоки (А[/т с): хорошее формирование, минимальное разбрызгивание и т. п. Обычно проволоку разрабатывают так, чтобы диапазоны АПкр и MJT с примерно совпадали (рис. 13-29). Применяют постоянный ток обратной полярности (250—350 А); источник питания должен
иметь жесткую внешнюю характеристику.
Кобальтовые сплавы с хромом и вольфрамом типа N, так называемые стеллиты, отличаются замечательными эксплуатационными свойствами: они способны сохранять твердость при высоких температурах (см. рис. 13-6), стойки против коррозии и эрозии, а также имеют отличную износостойкость при сухом трении металла по металлу. Сам по себе кобальт не обладает высокой жаропрочностью, это свойство придают сплавам присадки хрома (25—• 35%) и вольфрама (3—30%). Важным компонентом является и углерод, который образует с вольфрамом и хромом специальные твердые карбиды, улучшающие сопротивление абразивному износу.
Кобальтовыми сплавами наплавляют клапаны двигателей внутреннего сгорания, уплотнительные поверхности паровой арматуры сверхвысоких параметров, матрицы для прессования цветных металлов и сплавов и др. При наплавке необходимо стремиться к минимальному переходу железа из основного металла в наплавленный, иначе свойства последнего резко ухудшаются. Наплавленный металл склонен к образованию холодных и кристаллизационных трещин, поэтому наплавку ведут с предварительным и иногда с сопутствующим подогревом деталей.
Обеспечение минимальной доли основного металла и соблюдение необходимых термических условий являются наиболее важными особенностями технологического процесса наплавки кобальтовых сплавов. Наплавку осуществляют газовым пламенем прутками из сплавов В2К и ВЗК, а также покрытыми электродами ЦН-2 (тип ЭН-У18К62Х30В5С2-40) со стержнем из прутка ВЗК- Так как применяется подогрев деталей до температуры 600—700° С, то доля основного металла велика (до 30%), и для получения минимального содержания железа наплавку приходится выполнять в три слоя. Это увеличивает расход весьма
дорогого наплавочного материала и повышает трудоемкость работ.
Многие трудности устраняются при плазменно-порошковой наплавке (см. рис. 13-13) с использованием гранулированных порошков. Благодаря особенностям этого способа наплавки доля основного металла не превышает 10% и заданный химический состав наплавленного металла достигается уже в первом слое (рис. 13-30).
Плазменно-порошковую наплавку выполняют на следующем режиме: сила тока дуги прямого действия 180—220 А, сила тока косвенной дуги 70—90 А, скорость наплавки 2—4 м/ч, подачи порошка 2—3,5 кг/ч, расход плазмообразующего, транспортирующего и защитного газа (аргона) соответственно 1,5—2, 7—9 и 15 л/мин. Размах и число колебаний горелки соответственно 20—40 мм и 45—60 кол/мин. При существующих конструкциях горелок производительность наплавки может быть повышена до 6—8 кг/ч, тогда как при ручной наплавке штучными электродами она составляет 1,5—2 кг/ч. Дополнительный выигрыш получается и в экономии наплавочного материала, так как нет необходимости производить многослойную наплавку.
Гранулированные порошки во избежание образования пор и шлаковых включений должны содержать не более 0,08% кислорода. В качестве основного металла при наплавке кобальтовых сплавов служат хромоникелевые коррозионностойкие стали, жаропрочные сплавы на никелевой основе, а также низколегированные стали.
Никелевые сплавы с хромом и бором типа Qa сохраняют высокую твердость при нагреве до температуры 600—700° С, обладают жаростойкостью до температуры 950° С и хорошей коррозионной стойкостью в борной, хромовой, муравьиной, лимонной, уксусной и других кислотах, в растворах хлоридов, каустической соде,
Рис. 13-30. Макрошлиф однослойной наплавки Плазменно-порошковая наплавка гранулированным порошком ПН-АН132
747
ртути, жидком свинце, расплавленном стекле и прочих агрессивных средах. Эти сплавы применяют для наплавки и металлизации плунжеров водяных и кислотных насосов, уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры для паропроводов, выпускных клапанов дизельных двигателей, пресс-форм для стекла и т. п.
Используют преимущественно плазменно-порошковую наплавку (табл. 13-12). Плазменную наплавку с присадкой порошка ПГ-ХН80СР2 выполняют без подогрева. При наплавке с присадкой порошков ПГ-ХН80СРЗ и ПГ-Н80СР4 для предупреждения трещин необходим предварительный подогрев соответственно до температур 320—380 и 380—450° С. Крупные заготовки арматуры из стали 12Х1МФ с этой целью подогревают и до более высокой температуры. Режимы плазменно-порошковой наплавки примерно те же, что и для кобальтовых сплавов (см. выше), но в связи с более низкой температурой плавления присадочных порошков силу тока дуги прямого действия устанавливают на 20—25% меньше.
При наплавке возможны дефекты в виде пор и шлаковых включений. Это в большинстве случаев вызвано повышенным содержанием в присадочных порошках кислорода. Этих дефектов нет, если порошок содержит менее 0,12% кислорода.
Никелевые сплавы с молибденом типов Qa и QB обладают высокой жаропрочностью, хорошей стойкостью против термической усталости в условиях большого числа теплосмен, мало склонны к образованию трещин. В зарубежной практике их используют для наплавки контактных поверхностей конусов и чаш доменных печей (сплав хастелой С). Подобные свойства наплавленного металла обеспечивает сплав инконель, наплавляемый металлокерамической лентой ЛМ-ХН70ГБМТ (табл. 13-11) под флюсом АН-28.
Карбидные сплавы типа Р благодаря высокому содержанию твердых карбидов вольфрама отличаются особо высокой стойкостью против абразивного изнашивания. Этими сплавами наплавляют буровой инструмент, детали режущих органов землеройных машин, детали загрузочных устройств доменных печей.
Карбидные сплавы, вернее карбидные композиции, характерны тем что они не имеют строго определенного химического состава и при их формировании карбид вольфрама не кристаллизуется из расплава (подобно, например, карбидной фазе в сплавах типа G), а вводится в сплав-связку в виде заранее приготовленных зерен нужного размера и формы. Износ карбидных композиций протекает, как правило, избирательно: матрица сплава изнашивается быстрее и выступающие зерна карбидов воспринимают на себя основную нагрузку.
Технология и техника наплавки карбидных композиций должны обеспечивать введение в сварочную ванну частиц износостойкой фазы определенною размера и формы, причем эти частицы должны в минимальной степени растворяться в сплаве-связке
748
и не претерпевать нежелательных превращений в результате температурного воздействия сварочного цикла.
Обеспечить такие условия при дуговой наплавке плавящимся электродом в полной мере не удается. Для преодоления этих трудностей ведутся интенсивные исследования. Указанные выше примечательные свойства карбидных композиций пока реализованы более полно при таких сравнительно низкотемпературных процессах, как индукционная и газопламенная наплавка, а также при пропитке зерен литого карбида вольфрама легкоплавким сплавом с использованием печного нагрева. Перспективно применение плазменной наплавки по схемам, указанным на рис. 13-13 и 13-15.
Наибольшее распространение получила наплавка литым карбидом вольфрама (релитом), который представляет собой эвтектический сплав карбидов WC и W2C. Релит выпускают в виде зерен различного размера (0,2—3 мм) и в виде стальных трубок, заполненных карбидом (трубчато-зернистый сплав, ТЗ). В последнем случае масса оболочки составляет около 20%, карбидных зерен — около 60%. Ввиду дефицитности вольфрама ведутся интенсивные исследования по применению карбидов менее дефицитных металлов и других тугоплавких соединений высокой износостойкости.
Наплавка бронзы, меди и медноникелевых сплавов необходима при замене крупных бронзовых деталей узлов трения стальными, наплавленными бронзой. Ручная наплавка бронзы покрытыми электродами — весьма тяжелый и трудоемкий процесс. Для этой цели можно применять наплавку под флюсом сплошной проволокой Бр.АЖМц 10-3-1,5, лентой из бронзы Бр.АМц 9-2 (под флюсом АН-20), а также порошковыми проволоками ПП-Бр.ОЦС6-6-3 и ПП-Бр.ОС8-21 (под флюсом АН-60). Для наплавки в азоте разработаны порошковые проволоки ПП-Бр.АЖ9-4А и ПП-Бр.ОС-Ю-ЮА.
При наплавке слоя бронзы на сталь часто возникают поры, причиной которых являются водород и пары воды. Алюминиевая бронза, интенсивно поглощая водород в жидком состоянии, при кристаллизации выделяет его вследствие снижения растворимости. Высокая склонность к пористости алюминиевомарганцевой бронзы Бр.АМц 9-2 обусловлена значительной газонасыщенностью проволоки, применяемой для наплавки. Для предупреждения образования пор проволоку следует подвергать вакуумному отжигу.
Из существующих флюсов наибольшую стойкость против образования пористости при наплавке оловянной и свинцовой бронз, а также меди обеспечивает флюс АН-60. При наплавке цинкосодержащих бронз (типа Бр.ОЦС) пористость устраняется введением в порошковую проволоку раскислителей. Эффективным раскислителем в данном случае может быть силикокальций.
Уменьшение доли основного металла при наплавке на сталь обеспечивается применением электродной ленты и многоэлектрод-
749
ной наплавки, при этом доля основного металла в зависимости от режимов наплавки составляет 5—20%. Минимальная доля основного металла и небольшая зона переменного состава обеспечиваются при плазменной наплавке по схеме, приведенной на рис. 13-14.
Наплавку бронзы и меди на сталь с минимальным проплавлением основного металла можно получить и при помощи электро- шлакового процесса. Специальные флюсы на основе фторидов позволяют поддерживать устойчивый электрошлаковый процесс при температурах 1100—1300° С, т. е. ниже температуры плавления стали. Наплавку выполняют пластинами или плавящимся мундштуком.
Наплавку медноникелевого сплава типа монель выполняют металлокерамической лентой ЛМ-ДН70ГТЮ под флюсом АН-60 (табл. 13-11). Основной трудностью при наплавке металла этого типа на сталь является склонность наплавленного металла к возникновению пор и кристаллизационных трещин. Эти дефекты устраняют введением в электродную ленту 0,2—0,4% СаА12 (алю- мокальция) благодаря связыванию азота в стойкие нитриды кальция. Кроме того, кальций, связывая азот, а также кислород и серу в стойкие и тугоплавкие соединения, рафинирует и модифицирует наплавленный металл, в результате чего увеличивается стойкость против образования кристаллизационных трещин. Наплавку металлокерамической лентой сечением 1 Х45 мм выполняют на режиме /св = 800 т-900 A, Ua = 26-Т-28 В, ин = 10 м/ч. При этом достигается производительность около 30 кг/ч.
Методы неразрушающего контроля качества сварных соединений
К неразрушающим методам контроля качества сварных соединений относятся контроль на непроницаемость (керосином, сжатым воздухом, вакуумированием, масспектрометрическими течеискателями); магнитные и электромагнитные; люминесцентный и цветной, применяемые преимущественно для обнаружения дефектов, выходящих на поверхность; радиационные, ультразвуковые и магнитографические, применяемые для обнаружения скрытых, внутренних дефектов.
Рассмотрим радиационные, ультразвуковые и магнитографические методы контроля, которые нашли широкое применение в промышленности.
§ 14-1. Радиационные методы контроля
Наиболее распространенные методы неразрушающего контроля ■— радиационные — преимущественно используют для контроля рентгеновские и гамма-лучи.
Для контроля качества сварных соединений применяют переносные рентгеновские установки РУП-120-5, РУП-200-5, а также передвижные рентгеновские установки РУП-150/300 и РУП-400-5 (табл. 14-1).
Техника контроля. Существуют следующие методы регистрации дефектов: фотометод с прямой фиксацией дефектов на фотопленке; флюроскопический или рентгеноскопический метод с обнаружением дефектов по свечению экрана непосредственно или при помощи электронно-оптического усилителя; ионизационный метод с фиксацией дефектов ионизационной камерой и различными счетчиками.
При любом из перечисленных методов пучок рентгеновских или гамма-лучей направляется на контролируемый сварной шов. Проходя сквозь него, лучи частично поглощаются и действуют на находящийся
751
Таблица 14-1
Максимальные характеристики рентгеновских установок
Характеристика
РУП-150/300
РУП-120-5
РУП-200-5
РУП-400-5
Напряжение, кВ
Сила тока, мА
Толщина просвечивае-
250
120
200
400
10
5
5
5
мой стали, мм .
60
15
40
80
за швом индикатор-фотопленку, люминесцентный экран или ионизационный прибор. Дефекты шва вследствие их меньшей поглощающей способности пропускают больше лучей, чем здоровые участки шва. Различие интенсивности лучей фиксирует соответствующий индикатор. На фотопленке и экране дефекты изображены в виде полос и пятен, что позволяет, в отличие от ионизационного метода, определять их характер.
Наибольшее распространение получил фотометод, позволяющий определять в шве трещины, непровары, поры и шлаковые включения размером 1% и более толщины контролируемого шва. Для просвечивания сварных соединений большой толщины применяют жесткое излучение (с малой длиной волны), а для малой толщины — мягкое излучение.
Чувствительность фотографического метода определяется минимальной величиной обнаруживаемого дефекта Согласно ГОСТ 7512—69, чувствительность определяется при помощи специальных эталонов — проволочных и пластинчатых.
В последнее время начали применять рентгеноскопический метод контроля с использованием электроннооптических преобразователей и монокристаллических экранов в сочетании с телевизионными системами, преобразующими рентгеновское изображение в видимое. Установки типа РИ (рентгенотелевизионный интроскоп) отечественного производства позволяют надежно контролировать сварные соединения с чувствительностью, приближающейся к чувствительности фотометода, и с более высокой производительностью. Преимущество этого метода — возможность механизации процесса контроля.
Рентгенотелевизионные интроскопы (типа РИ-ЮТ и РИ-20Т) предназначены для дистанционного визуального обнаружения, фоторегистрации и фиксации расположения внутренних дефектов в сварных соединениях, отливках и других изделиях. В процессе контроля изделие перемещают с определенной скоростью относительно экрана входного блока интроскопа, преобразующего прошедшее через контролируемое изделие рентгеновское излучение в оптическое изображение. Это изображение передается телевизионной системой для воспроизведения его на экране кинескопа.
Интроскопы могут работать с различными источниками тормозного рентгеновского излучения, например с рентгеновским аппаратом РУП-150-10. Интроскопы обеспечивают воспроизведение позитивного и негативного изображений контролируемого участка изделия, позволяют изменять масштаб изображения, а также поворачивать его на определенный угол.
В качестве индикатора рентгеновских или гамма-лучей можно применять электрорентгенографическую (ксерографическую) пластину. Такой метод регистрации лучей получил название ксерографического. Процесс получения рентгеновского изображения на пластине состоит из операции электрической зарядки чувствительного слоя пластины, экспонирования и проявления изображения. В качестве чувствительного слоя применяется селен; пластины (подложки) изготовляют из алюминиевого сплава.
После экспонирования на пластине появляется скрытое изображение, для проявления которого поверхность пластины покрывают наэлектризованным порошком. При помощи обычной писчей бумаги получают отпечаток. Пластины могут быть использованы многократно. Преимущества ксерографического метода: дешевизна, высокие производительность и чувствительность.
Методика выявления дефектов. При контроле стыковых соединений луч направляют перпендикулярно шву. Для выявления возможных непроваров по скосам кромок луч необходимо направлять по скосам кромок. При контроле нахлесточных и тавровых соединений лучи направляются под углом 45° к плоскости листа или полки тавра, а также по скосам кромок. Кольцевые швы труб и котлов диаметра 500—1500 мм просвечивают за одну экспозицию с расположением источника излучения в центре изделия. Швы труб малого диаметра просвечивают через две стенки (кольцевые швы — с трех или более положений) При больших диаметрах изделий их просвечивают по частям при расположении источника внутри или снаружи
Оценка качества сварных соединений. Качество сварных соединений оценивают по рентгеновским и гамма-снимкам, которые не должны иметь царапин, пятен, отпечатков пальцев и других дефектов. По всей длине снимка должно быть четкое изображение сварного шва, эталона-дефектометра и маркировочных знаков.
Величина и количество дефектов, выявленных снимками в швах, и степень их допустимости в данном сварном соединении устанавливаются техническими условиями. Для приемки и браковки сварных соединений стальных сосудов, работающих под давлением, в СССР разработаны нормы оценки дефектов по трехбалльной системе. Сварные швы, оцененные баллами 3 и 2, считаются приемлемыми без исправления, а баллом 1 — подлежат исправлению.
Рентгеновские и гамма-лучи могут оказывать вредное действие на человеческий организм, если доза излучения превышает допу- 48 Заказ № 782753
стимую. Поэтому при радиационной дефектоскопии необходимо строго соблюдать существующие правила техники безопасности.
14-2. Ультразвуковая дефектоскопия
При ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) сварных соединений дефекты выявляют при помощи ультразвуковых волн (УЗВ). Ультразвуковыми волнами называются упругие колебания материальной среды с частотой выше слышимости человеческого уха, т. е. выше 16 кГц.
Для дефектоскопии сварных швов наиболее широко применяются поперечные (колебание частиц среды происходит перпендикулярно направлению распространения волны) и продольные (колебание частиц среды происходит вдоль направления распространения волны) ультразвуковые волны.
В УЗД применяют пьезоэлектрический способ получения УЗВ, заключающийся в преобразовании некоторыми естественными или искусственными пьезокристаллами механических колебаний в электрические (прямой пьезоэффект) и электрических в механические (обратный пьезоэффект).
Ввод ультразвука перпендикулярно поверхности изделия осуществляется прямыми (нормальными) и наклонными (призматическими) искателями. В любом искателе пьезопластина излучает продольную волну. Ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений осуществляется преимущественно наклонными искателями, посылающими волну под углом к поверхности изделия. При определенных углах (30, 40 и 50°) в контролируемой среде распространяются поперечные волны с углом преломления—углом наклона акустической оси искателя (40, 51, 62° для стали).
Для ввода ультразвука в металл пространство между излучающей плоскостью искателя и поверхностью металла заполняют контактирующей средой — минеральным маслом или водой (эмульсией). В зависимости от толщины слоя контактирующей среды различают контактный и иммерсионный способы обеспечения акустического контакта.
Введенные в изделие в виде зондирующего импульса ультразвуковые колебания, встретившись с несплошностью (дефектом) или поверхностью раздела двух сред, отражаются от нее под углом, равным углу падения. Часть ультразвуковой энергии после отражения возвращается к искателю и фиксируется дефектоскопом. Величина отраженной энергии при прочих равных условиях будет зависеть от величины, ориентации и формы (характера) поверхности отражателя.
Различают три основных метода ультразвуковой дефектоскопии: теневой, зеркально-теневой и эхо-метод. Для контроля сварных соединений наиболее широкое применение получил эхо- метод, при котором признаком обнаружения дефекта является прием искателем эхо-импульса от самого дефекта.
754
Для выявления дефектов в швах применяют способы прозву- чивания прямым однократно, двукратно или многократно отраженным лучом. Основными измеряемыми характеристиками выявленных дефектов, кроме амплитуды эхо-сигнала и координат, являются условная протяженность и условная высота дефекта, условное минимальное расстояние между дефектами, число дефектов на определенной длине шва.
Основные параметры контроля эталонируют при помощи комплекта эталонов согласно ГОСТ 14782—69. Метод УЗД позволяет автоматизировать процесс контроля с применением специализированных установок. Для выявления дефектов применяют ультразвуковые дефектоскопы ДУК-1 ЗИМ и др.
Дефектоскоп ДУК-13ИМ—специализированный прибор для контроля сварных швов. Индикация дефектов происходит по импульсам, возникающим на экране электроннолучевой трубки, а также по появлению звука в телефонных наушниках. Чувствительность дефектоскопа регулируется в широких пределах и обеспечивает выявление дефектов в стали с эквивалентной площадью 2—3 мм2 на глубине до 100 мм. Для определения координат дефектов, а также измерения толщины изделий в дефектоскопе имеется электронный глубиномер. Благодаря наличию электронной лупы возможен контроль изделий по слоям. Величина контролируемого слоя регулируется в пределах 8—500 мм. Прибор работает от сети переменного тока напряжением 220 или 36 В, а также от аккумуляторной батареи напряжением 12 В. Масса прибора около 4 кг.
14-3. Магнитографический метод контроля
Метод основан на обнаружении магнитных полей рассеяния, возникающих в местах дефектов при намагничивании контролируемых изделий. Поля рассеяния от дефектов фиксируются в виде магнитных отпечатков на эластичном магнитоносителе (магнитной ленте), плотно прижатом к поверхности шва. Процесс контроля состоит из двух основных операций: намагничивания изделий специальными устройствами, при котором поля дефектов записываются на магнитную ленту; воспроизведения или считывания записи с ленты, осуществляемого магнитографическим дефектоскопом. Магнитографический метод контроля можно применять для проверки сплошности стыковых швов, плоских изделий и труб различных диаметров, изготовленных из ферромагнитных металлов, с толщиной стенки 1—16 мм. Контролю подвергают швы с равномерным усилением и нормальной чешуйчатостью без видимых наружных дефектов: трещин, наплывов, подрезов, пор, недопустимых смещений и т. п. Перед контролем швы и прилегающие зоны очищают от грязи, остатков шлака и металлических брызг.
Применяют двухслойные магнитные ленты типа МК-1 и МК-2, состоящие из целлюлозной или другой эластичной основы и ма48*755
гнитного слоя. Ленту магнитным слоем накладывают на контролируемый шов и плотно прижимают к нему резиновым поясом. Затем шов подвергают намагничиванию с одновременной записью полей рассеяния на ленту. Ленту снимают со шва, наматывают на кассету и доставляют к месту, где находится воспроизводящая аппаратура.
Намагничивающие устройства — это электромагниты, подразделяемые на подвижные и неподвижные. Швы намагничиваются постоянным магнитным полем, направленным поперек шва.
Воспроизведение магнитной записи осуществляется магнитографическим дефектоскопом, основным элементом которого является воспроизводящая магнитная головка. Последняя преобразует зафиксированные на ленте магнитные сигналы. Индикация сигналов осуществляется при помощи электроннолучевых трубок. Для определения величины дефектов магнитографические дефектоскопы настраивают по эталонным лентам, записанным на контрольных образцах сварных соединений.
Характер дефектов определяют по видеоиндикатору. Форма изображения на экране соответствует форме дефекта, а степень почернения характеризует его глубину. Трещины характеризуются наличием извилистых темных линий с большой контрастностью, непровары — прямых линий, шлаковые включения —- темных пятен и т. д.
Применяют магнитографические дефектоскопы типов МД-9, МД-11, МДУ-1, МГК-1 и др. с комплектом намагничивающих устройств, предназначенных для магнитографического контроля качества сварных швов трубопроводов, листовых и других конструкций. В дефектоскопе МД-9 индикация дефектов осуществляется визуально в виде неподвижных импульсов на экране электроннолучевой трубки. Дефектоскоп МД-11 с растровой разверткой позволяет получать на экране изображение воспроизводимого участка сварного шва (видеоиндикация). Дефектоскоп МДУ-1 —■ универсальный, позволяет получать на экранах двух электроннолучевых трубок импульсную и видеоиндикацию магнитограммы полей дефектов. Усовершенствованной модификацией этого дефектоскопа является МДУ-2У, на двухлучевой трубке которого возникают одновременно телевизионное изображение участков швов и импульсное изображение сигналов от дефектов.
Наибольшее распространение метод магнитографического контроля получил при проверке качества сварных стыков, трубопроводов. Результаты этого контроля оценивают в соответствии с требованиями строительных норм и правил.
Список литературы
Алов А. А. Основы теории процессов сварки и пайки. М., «Машиностроение», 1964, 272 с.
Бельфор М. Г., Каленский В. К-, Литвинчук М. Д. Оборудование для автоматической и полуавтоматической сварки и наплавки. М., «Высшая школа», 1967, 172 с.
Гермаи С. И. Электродуговая сварка теплоустойчивых сталей перлитного класса. Изд. 2-е, М., «Машиностроение», 1972, 200 с.
Гуревич С. М., Рабкин Д. М. Зварювання кольорових метал!в i ix сплав!в. Киш, Держтехвидав УРСР, 1964, 120 с.
Заруба И. И. и др. Сварка в углекислом газе. Изд. 2-е, Киев, «Техн1ка», 1966, 291 с.
Земзин В. Н. Сварные соединения разнородных сталей. М.—Л., «Машиностроение», 1966, 232 с.
Касаткин Б. С., Мусияченко В. Ф. Низколегированные стали высокой прочности для сварных конструкций. Киев, «Техн1ка», 1970, 188 с.
Каховский Н. И. Сварка нержавеющих сталей. Киев, «Техн1ка», 1968, 312 с.
Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Некоторые проблемы свариваемости металлов, М., Машгиз, 1963, 300 с.
Лившиц Л. С., Гринберг Н. А., Куркумелли Э. Г. Основы легирования наплавленного металла. М., «Машиностроение», 1969, 188 с.
Макара А. М., Мосеидз Н. А. Сварка высокопрочных сталей. Киев, «Техн1ка», 1971, 140 с.
Медовар Б. И. Сварка аустенитных сталей и сплавов. Киев, «Техника», 1964, 184 с.
Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. М , «Машиностроение», 1966. 430 с.
Медовар Б. И. и др. Аустенитно-боридные стали и сплавы для свариваемых конструкций. Киев, «Наукова думка», 1970, 148 с.
Назаренко О. К. и др. Электронно-лучевая сварка. М., «Машиностроение», 1966, 127 с.
Назаров С. Т. Методы контроля качества сварных соединений. М , «Машиностроение», 1964, 128 с.
Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. М., «Высшая школа», 1971, 760 с.
Патон Б. Е. (ред.) Технология электрической сварки плавлением, Москва—Киев, Машгиз, 1962, 663 с.
Патон Б. Е. (ред.) Электрошлаковая сварка. Изд. 2-е, Москва—Киев, Машгиз, 1959, 410 с.
Патон Б. Е., Кубасов В. Н. Эксперимент по сварке металлов в космосе. — «Автоматическая сварка», 1970, № 5, с. 7—12.
Патои Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М., «Машиностроение», 1966, 359 с.
Патон Е. О. (ред.) Автоматическая электродуговая сварка. Киев—• Москва, Машгнз, 1953, 396 с.
Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов. М., «Высшая школа», 1967, 508 с.
П1дгаэцький В. В. Пори, включения 1 трщини в зварних швах. Киев, «Техн1ка», 1970, 236 с.
Прохоров Н. Н. Физические процессы в металлах при сварке. Т. I, М., «Металлургия», 1968, 695 с.
Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1961, 296 с.
Рябоконь Н. Г. Механизация и автоматизация технологических процессов сварочного производства. М., Машгиз, 1963, 276 с.
Севбо П. И. Комплексная механизация и автоматизация сварочных процессов. Киев, «Паукова думка», 1964, 87 с.
Стеренбогеи Ю. А. и др. Сварка и наплавка чугуна. Киев, «Паукова думка», 1966, 210 с.
Таубер Б. А. Сборочно-сварочные приспособления и механизмы. М., Машгиз, 1951, 415 с.
Фрумин И. И. и др. Технология механизированной наплавки. М., «Высшая школа», 1964, 304 с.
Фрумин И. И. Автоматическая электродуговая наплавка. Харьков, Металлургиздат, 1961, 421 с
Фролов В. В. (ред.). Теоретические основы сварки. М., «Высшая школа», 1970, 392 с.
Хренов К- К- Сварка, резка и пайка металлов. Изд. 3-е, М., «Машиностроение», 1970, 408 с.
Электроды для дуговой сварки и наплавки. Каталог, Киев, «Паукова думка», 1967, 440 с.
Предметный указатель
А
Азот 96—98, 310—312, 373, 669 Алюминий и его сплавы:
особенности сварки 128—129, 140— 141, 638
плазменно-дуговой 648
по флюсу 643
электроннолучевой 649
электрошлаковой 646
электродами неплавящимися 642, 647—648
плавящимися 642—643, 649 сварочные проволоки 289, 292 — флюсы 362
свойства сварного соединения 640—■ 642
состав 637
Аппаратура для наплавки: дуговой 429—430 электрошлаковой 430—435
Аппаратура для сварки дуговой: автоматы 376, 392—409, технические данные 410 источники питания 377—392 оборудование для электрошлаковой 430—440, технические данные 443 полуавтоматы 411—415, технические данные 416—417
приспособления сборочно-сварочные 444—453
установки 453—457
Аргон 366—367, 611—614, 648, 650, 657, 669
Б
Баланс теплоты при сварке: дуговой 57 электроннолучевой 60 электрошлаковой 58
Бериллий и его сплавы, особенности сварки 652—653
Бронза 292—293, 666—673
В
Ванадий, особенности сварки 678— 679
Ванна:
влияние формы на стойкость против трещин 234—236
основные параметры 216—218 сварочная, формирование и кристаллизация 81—89
шлаковая, форма и кристаллизация 46, 89—91
Включения неметаллические 260: нитридные 264, 265 оксидные 260—262 сульфидные 262, 263 фосфорсодержащие 263, 264 шлаковые 276
Водород 96—98, 312—313, 372, 669
Вольфрам, особенности сварки 681 Выпрямители сварочные, технические данные 386—387
Г
Газы защитные активные 370—373: азот 373, 669 водород 372 смеси 371—372 углекислый газ 370, 372, 481—482, 496, 614—615
инертные 366—370:
аргон 366—367, 611—614, 648, 650, 657, 669
гелий 367, 611—614, 669—670 смеси 368, 669
Газ углекислый 370, 372, 481, 482, 496, 614—615
Гелий 367, 611—614, 669—670 Генераторы сварочные 378—390 Головка для сварки:
неплавящимся электродом 423 плавящимся электродом 393—411 плазменной дугой 424—427 электрошлаковой 435
Горелка для сварки- неплавящимся электродом 421 плазменной дугой 425
ГОСТ 380—71 138, 139, 462, 463, 465, 466, 467, 490
ГОСТ 949—57 367, 371, 372
ГОСТ 1050—60 139, 464, 465, 466, 491
ГОСТ 1071—67 714
ГОСТ 2246—70 231, 232, 288, 289,
338, 607, 608, 714
ГОСТ 2283—69 720
ГОСТ 2685—63 637
ГОСТ 3956—54 675
ГОСТ 4543—71 526
ГОСТ 4784—65 637, 639
ГОСТ 4986—70 720
ГОСТ 5058—65 139, 515
ГОСТ 5200—50 526
ГОСТ 5264—69 194
ГОСТ 5520—69 139, 462
ГОСТ 5521—67 462, 464, 465, 466, 467
ГОСТ 5583—68 372
ГОСТ 5639—65 485 , 486
ГОСТ 6713—53 139, 462
ГОСТ 6996—66 158
ГОСТ 7122—54 147
ГОСТ 7512—69 752
ГОСТ 7871—63 281
ГОСТ 8050—64 371
ГОСТ 8713—70 194
ГОСТ 9087—69 349 , 350
ГОСТ 9293—59 373
ГОСТ 9389—60 714
ГОСТ 9466—60 607, 610, 711
ГОСТ 9467—60 323, 327, 333, 334, 335
ГОСТ 10051—62 711
ГОСТ 10052—62 337, 607, 610, 611
ГОСТ 10157—73 366, 367, 656, 669
ГОСТ 10543—63 714, 715
ГОСТ 10884—71 495
ГОСТ 11069—64 637, 639
ГОСТ 11545—65 724
ГОСТ 12162—66 371
ГОСТ 13819—68 598
ГОСТ 14771—69 194
ГОСТ 14782—69 755
ГОСТ 14963—69 714
ГОСТ 15164—69 195
Д
Дефектоскоп 755
Дефекты сварных соединений: включения шлаковые 260 влияние на прочность 277—285 классификация 223 поры 255, 285, способы предупреждения 601
трещины кристаллизационные в алюминии 639
в сталях 145—148, 224—228, 623, 632
•в титане 653
— горячие 238, 585—598
— холодные 239—255, способы предупреждения 531—547
Деформации при сварке: виды 162 методы устранения остаточных деформаций 167—171
Дроссель 384—385
Дуга сварочная 32—44:
виды 14
источники питания 378
области дуги 33—39 особенности 42—44 распределение энергии 41—42 тепловой баланс 57 характеристика 39—40, 378—380
Ж
Жаростойкость сварных соединений 601
3
Защитные газы см. Газы защитные Зоны несплавления 267
Зона термического влияния, строение 91—95
И
Износ металла 696—704
Источники питания для наплавки 430— 431
для сварки дуговой 377—392: области применения 390—392 основные требования 378—382 переменного тока 386 постоянного тока 386—387, 421 свойства динамические 382—383 — технологические 383—384
для сварки электрошлаковой, основные требования 432, технические данные 434
К
Каналы шлаковые 265 Кантователи 451
Кислород 96—98, 313—314, 372
Контроль качества сварных соединений, методы 751—756
Коррозионная стойкость см. Стойкость коррозионная сварных соединений
Корка шлаковая, использование 355 Коэффициент формы:
сварочной ванны 234—235, 493 шва 216
Кратеры 276
Кристаллизация металла сварочной ванны 85—91
Л
Латунь 666—673
Лента порошковая 720, литая 721, 722
Линин поточные, механизированные и автоматизированные 459—460
Луч:
лазерный, характеристика 52—54 электронный 49—52
М
Магний и его сплавы: особенности сварки 652 состав и свойства 651
Манипуляторы 452
Материалы наплавочные:
лента порошковая литая 720
порошки гранулированные 722, состав 725
проволока порошковая 714—720, 734 прутки 725—726
флюсы для легированных сталей, состав 356—359, 711—713
электроды покрытые 711
— сварочные:
газы защитные 366—373
проволока 286—304
стержни электродные 293
флюсы 339—366
электроды покрытые 305—338
Медь и ее сплавы 665—673:
особенности сварки дуговой в защитных газах 669—670
неплавящимся электродом 667
плавящимся электродом 292, 667
под флюсом 363, 668—669
сжатой дугой 671
электроннолучевой 671
состав и свойства 666
Методы контроля качества 751—756
Механизмы подачн электрода 393:
правильный 401
ходовой 402—404
Механические свойства сварных соединений см. Свойства механические сварных соединений
Молибден и его сплавы 678—680:
прочность соединения 680 режимы электроннолучевой сварки 679
Мундштуки токоподводящие 400—401, 428, 435—437
Н
Наплавка дуговая:
аппараты, технические данные 431 источники питания 430
плазменная металлическим порошком 430
под флюсом порошковой проволокой 734
производительность 726—730
расщепленным электродом 428
технология 737—750
установки 453—457
широкослойная ленточным электродом 429
электродной лентой 735
электрошлаковая 736
Наплавочные материалы см. Материалы наплавочные
Наплывы 274
Напряжения при сварке 160—163:
виды напряженного состояния 161 методы предотвращения и снижения 163—170
регулирование 539—543
Непровары 268, 283
Ниобий, особенности сварки 677—678
О
Области дуги:
анодная 35—36
катодная 37—39
столб 33—35
Обработка термическая:
влияние на механические свойства металла шва низкоуглеродистой стали 471
конструкций из жаропрочных сталей 525
сварных соединений 552—553
среднелегированных сталей 545—550
Ожоги 277
П
Плавление основного металла 81—85
—электрода 68—71
Прижимы 446—450
Приспособления сборочно-сварочные 444-453
Перенос электродного металла 71—81, 382
Подрезы 272, 285
Ползуны формирующие 441—442
Полуавтомат шланговый 412—419
Порошки гранулированные 722, состав 725
Порошковая проволока см. Проволока порошковая
Поры 255, 285, способы предупреждения 601
Пост для ручной сварки 375
Проволока для наплавки 714, порошковая 714—720, 734
— для сварки порошковая 81, 117, 295, 474:
—для сварки в углекислом газе 301 сталей 472—474 чугуна 507
самозащитная 297—301, характеристика 299
специальная 303
Проволока сварочная 619, 632, 634: из алюминия и его сплавов 289, 292 из меди и ее сплавов 292—293 из титана и его сплавов 292 порошковая 295—304 стальная 286—291, 484, 608—610, 615—616
Прожоги 275
Процессы тепловые при сварке: дуговой 55—57 лазерной 59—60 электроннолучевой 59 электрошлаковой 57—59
Процесс сварки, схема 11 —14
Процессы физико-металлургические при сварке плавлением 32—103: в защитных газах 77—81 дуговой 32—44 лазерной 52—54 под флюсом 76—77 покрытыми электродами 75—76, 308—314
электроннолучевой 49—52 электрошлаковой 44—49
Пушки электроннолучевые, системы 50—51
Р
Режимы сварки стали 207—222, 295: высоколегированной в среде защитного газа 611—615
— под флюсом 605—607, 608—610
—ручной дуговой 607, 611
— электроннолучевой 616
— электрошлаковой 615 низколегированной под флюсом 522 — покрытыми электродами 521 — электрошлаковой 523—524 разнородной 622—633, режимы 634 среднелегированной 529—531, без термообработки 550—551
— в защитных газах 555—561
— при различной термообработке 547—550, 552
— под флюсом 553—555
— покрытыми электродами 553 — электроннолучевой 565—567 — электрошлаковой 561—565
С
Свариваемость 144—160: методы определения 144—145, 253— 255
определение служебных характеристик металла 158—160
оценка 142—144
Сварка дуговая 14—21:
особые методы:
ваннодуговой 119—120
вибродуговой 118—119
короткой дугой 119
лежачим или наклонным электродом 120—121
плавление и перенос электродного металла 68—81
тепловые процессы 55—57
физико-металлургические особенности 32—44
— в особых условиях: в космосе 686—690 под водой 684—686 при низких температурах 690—693
— лазерная 23—24;
тепловые процессы 59—60
технологические особенности 131— 136
физико-металлургические особенности 52—54
— электроннолучевая 23'
тепловые процессы 59
технологические особенности 124— 126
физико-металлургические особенности 49—52
•—электрошлаковая 21—23: тепловые процессы 57—59 технологические особенности 121 —
124
физико-металлургические особенности 44—49
Сварка контактная чугуна 508—509
Сварка-пайка низкотемпературная чугунной присадкой 506—507
Сварка плавлением'
основные виды 14—24
схема процесса 11 —14
тенденция развития и пути повышения производительности труда 24—31
технологические особенности 104— 136
физике-металлургические процессы 32—103
Сварка разнородных металлов 127, 681—683
сталей 622—634
Сварные соединения, типы и профили 129—131, 140, 163, 174: нахлесточные 174
прорезные 207
сборка и подготовка деталей 179—• 183
стыковые 174, 185—200, 475—478 тавровые 174
требования 172—174
угловые 175, 200, 204, 476, 481, 492 электрозаклепки 207
Сварочная ванна см. Ванна сварочная
Сварочная дуга см. Дуга сварочная
Сварочные материалы см. Материалы сварочные
Сварочная проволока см. Проволока для сварки
Сварочные электроды см. Электроды сварочные
Свойства механические сварных соединений 277: влияние дефектов 277—286 из алюминия и его сплавов 640 из медных сплавов 671 из молибдена и его сплавов 680 из сталей низкоуглеродистых конструкционных 468—471, 483, 484 среднелегированных 533—547, 558, 568—570
теплоустойчивых 335
из титана 664
из циркония и его сплавов 677
Системы:
копирующие 404—406 следящие 406—408
Сталь высоколегированная: жаропрочная 575—576 жаростойкая 577—578 коррозионностойкая 572—574 особенности сварки 583—605
— двухслойная 619, особенности сварки 619—622
— низколегированная 139:'
механические свойства 517 особенности сварки 519—526 состав 516—518
— низкоуглеродистая конструкционная:
механические свойства 466—467 особенности сварки 464—472 состав 465
среднелегированная 334—355: особенности сварки 529—531 состав и механические свойства
527—528, 548
— среднеуглеродистая и высокоуглеродистая:
особенности сварки 494 состав и свойства 485—491
— термоупрочнеиная 495 с защитным покрытием 496
Стенды 451
Стержни электродные: неплавящиеся 293 плавящиеся 293
Стойкость коррозионная сварных соединений, классификация 599
Строение сварного соединения 11 — 12: границы сплавления 86—87 зона термического влияния 91—95 металл шва 87—91 неметаллические включения 260— 265
Т
Тантал, особенности сварки 677, 678
Тип покрытия электрода 511, 521- ильменитовый 327 органический 329 рудно-кислый 321—322 рутиловый 323—327 фтористо-кальциевый 327—329
Титан и его сплавы 653: особенности сварки аргоно-дуговой 141—142, 657 под флюсом 663 электрошлаковой 662—664 проволока 292 свойства сварных соединений 664 состав и свойства 654 флюсы для сварки 363, 660, 662
Термическая обработка см. Обработка термическая
Термический цикл см. Цикл термический
Трактор сварочный 403, 408, 411
Трансформаторы сварочные' схемы 433 технические данные 386
Трещины кристаллизационные: в алюминии 639
в сталях 145—148, 224—228, 623, 632 в титане 653
Трещины:
горячие 238, 585, 598
способы предупреждения 531—547 холодные 239
У
Углекислый газ см. Газ углекислый Утяжины 268
Установки для автоматической и полуавтоматической сварки 376, 393, 453—548
Установка лазерная сварочная 53
Ф
Фиксаторы 445
Флокены 266
Флюсы для дуговой сварки: алюминия и его сплавов 362, 643 меди и ее сплавов 363, 668 сталей 339—366 высоколегированных 605—610, составы 359—361
— легированных, составы 356—359, 361, 553—555
— углеродистых 341—354, 475, 477—480, 492, 496, 522
титана и его сплавов 363, 660, 662 — для электрошлаковой сварки 364—
366
Флюсы для наплавки сталей, состав 356—359: керамические 713 плавленые 711—713
— для сварки:
керамические 339, 353—354, 361—362 плавленые 339—340, 346—353, 356— 361
Форма шва, влияние режима сварки 207—217
X
Характеристика дуги вольт-амперная 39—49, 379
Хром, особенности сварки 681
ц
Цикл термический 63—68, регулирование 533—538
Цирконий, особенности сварки 676— 677
Ч
Чугун 499: особенности сварки 502—510 свойства 501 электроды 511 —512
Ш
Шлаковая ванна см. Ванна шлаковая
Э
Электродные стержни см. Стержни электродные
Электроды для наплавки покрытые 711
— для сварки сталей:
классификация 307
металлургические процессы 75—76, 308—314
общие сведения 305, 306
состав и свойства шлака 315—320
типы 321—329
— плавящиеся для сварки сталей: высоколегированных 335—338 легированных 333 низкоуглеродистых конструкцион
ных 472—474
среднелегированных высокопрочных 334, 336, 553
углеродистых и низколегированных 320—321
■— специальные:
высокопроизводительные 331
с глубоким проваром 330
Электрододержатель 374, 375
Электрозаклепки 207
5И1114245И1114242 Физико-металлургические процессы при сварке плавлением2 Физико-металлургические процессы при сварке плавлением33§2-1. Сварочная дуга§ 2-2. Шлаковая ванна§ 2-3. Электронный луч§ 2-4. Лазерное излучение§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением§ 2-6. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке§ 2-7. Образование сварочной ванны, формирование и кристаллизация металла шва§ 2-8. Образование и строение зоны термического влияния§ 2-9. Металлургические процессы при сварке плавлениемТехнологические особенности основных процессов сварки плавлением§2-1. Сварочная дуга§ 2-2. Шлаковая ванна§ 2-3. Электронный луч§ 2-4. Лазерное излучение§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением§ 2-6. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке§ 2-7. Образование сварочной ванны, формирование и кристаллизация металла шва§ 2-8. Образование и строение зоны термического влияния§ 2-9. Металлургические процессы при сварке плавлениемТехнологические особенности основных процессов сварки плавлением3232444952546881919532324449525468819195§3-1. Сварка покрытыми электродами§ 3-2. Сварка под флюсом§ 3-3. Сварка в защитных газах§ 3-4. Особые методы дуговой сварки§ 3-5. Электрошлаковая сварка§ 3-6. Электроннолучевая сварка§ 3-7. Сварка лазерным излучением§3-1. Сварка покрытыми электродами§ 3-2. Сварка под флюсом§ 3-3. Сварка в защитных газах§ 3-4. Особые методы дуговой сварки§ 3-5. Электрошлаковая сварка§ 3-6. Электроннолучевая сварка§ 3-7. Сварка лазерным излучением104104108112117121124131104104108112117121124131
5
И
11
14
24
5
И
11
14
24
2 Физико-металлургические процессы при сварке плавлением
2 Физико-металлургические процессы при сварке плавлением
3
3
§2-1. Сварочная дуга
§ 2-2. Шлаковая ванна
§ 2-3. Электронный луч
§ 2-4. Лазерное излучение
§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением
§ 2-6. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке
§ 2-7. Образование сварочной ванны, формирование и кристаллизация металла шва
§ 2-8. Образование и строение зоны термического влияния
§ 2-9. Металлургические процессы при сварке плавлением
Технологические особенности основных процессов сварки плавлением
§2-1. Сварочная дуга
§ 2-2. Шлаковая ванна
§ 2-3. Электронный луч
§ 2-4. Лазерное излучение
§ 2-5. Тепловые процессы при сварке плавлением
§ 2-6. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке
§ 2-7. Образование сварочной ванны, формирование и кристаллизация металла шва
§ 2-8. Образование и строение зоны термического влияния
§ 2-9. Металлургические процессы при сварке плавлением
Технологические особенности основных процессов сварки плавлением
32
32
44
49
52
54
68
81
91
95
32
32
44
49
52
54
68
81
91
95
§3-1. Сварка покрытыми электродами
§ 3-2. Сварка под флюсом
§ 3-3. Сварка в защитных газах
§ 3-4. Особые методы дуговой сварки
§ 3-5. Электрошлаковая сварка
§ 3-6. Электроннолучевая сварка
§ 3-7. Сварка лазерным излучением
§3-1. Сварка покрытыми электродами
§ 3-2. Сварка под флюсом
§ 3-3. Сварка в защитных газах
§ 3-4. Особые методы дуговой сварки
§ 3-5. Электрошлаковая сварка
§ 3-6. Электроннолучевая сварка
§ 3-7. Сварка лазерным излучением
104
104
108
112
117
121
124
131
104
104
108
112
117
121
124
131
Оглавление
Введение
1 Общие сведения об электрической сварке плавлением
§ 1-1. Схема процесса сварки
§ 1-2. Краткая характеристика основных видов сварки
§ 1-3. Тенденции развития и пути повышения производительности сварки плавлением
мации при сваркемации при сварке137137142144160163167172172174179183200207137137142144160163167172172174179183200207
мации при сварке
мации при сварке
137
137
142
144
160
163
167
172
172
174
179
183
200
207
137
137
142
144
160
163
167
172
172
174
179
183
200
207
Основной металл, свариваемость, напряжения и дефор
§4-1. Выбор основного металла
§ 4-2. Свариваемость металлов и сплавов
§ 4-3. Основные методы определения свариваемости
§ 4-4. Напряжения и деформации при сварке
§ 4-5. Предотвращение и снижение сварочных напряжений и деформаций
§ 4-6. Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Общие сведения о сварных соединениях
§ 5-1. Требования к сварным соединениям
§ 5-2. Типы сварных соединений и швов
§ 5-3. Подготовка и сборка деталей под сварку
§ 5-4. Конструктивное оформление и техника выполнения стыковых швов
§ 5-5. Конструктивное оформление и техника выполнения угловых швов и швов других типов
§ 5-6. Влияние режима сварки на форму и состав шва
Дефекты сварных соединений
7
§ 6-1. Типичные дефекты и их классификация
§ 6-2. Кристаллизационные трещины в металле шва
§ 6-3. Холодные трещины
§ 6-4. Поры в сварных швах
§ 6-5. Неметаллические включения в сварных швах
§ 6-6. Прочие дефекты сварных соединений
§ 6-7. Влияние технологических дефектов на прочность сварных соединений при статических и переменных нагрузках
Сварочные материалы
223
223
224
239
255
260
265
§ 7-1. Сварочные проволоки, стержни и пластины
§ 7-2. Порошковые проволоки
§ 7-3. Сварочные электроды
§ 7-4. Сварочные флюсы
§ 7-5. Защитные газы
277
286
286
295
305 339
366
8 Оборудование для сварки и наплавки
374
9
§8-1. Аппаратура и источники питания для дуговой сварки и наплавки
§ 8-2. Аппаратура для автоматической сварки плавящимся электродом
§ 8-3. Аппаратура для полуавтоматической сварки плавящимся электродом
§ 8-4. Аппаратура для сварки неплавящимся электродом
§ 8-5. Аппаратура для сварки дугой, сжатой газовым потоком
§ 8-6. Аппаратура для многоэлектродной сварки
§ 8-7. Аппаратура для дуговой наплавки
§ 8-8. Аппаратура и источники питания для электро- шлаковой сварки и наплавки
§ 8-9. Сварочные и сборочно-сварочные технологические приспособления
§ 8-10. Механическое и вспомогательное оборудование сварочных установок
§ 8-11. Установки для сварки и наплавки
Технология сварки углеродистых конструкционных сталей
§ 9-1. Низкоуглеродистые конструкционные стали
§ 9-2. Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали
§ 9-3. Термоупрочненные углеродистые стали и стали с защитными покрытиями
§ 9-4. Чугун
377
392
411
419
424
427
429
430
444
450
453
461
464
489
495
499
10
Технология сварки легированных сталей
§ 10-1. Состав и свойства низколегированных сталей
§ 10-2. Сварка низколегированных сталей
§ 10-3. Среднелегированные стали и особенности их сварки
§ 10-4. Технологические методы предупреждения образования холодных трещин в сварных соединениях среднелегированных сталей
§ 10-5. Особенности сварки конструкций среднелегированных сталей при различной термообработке
514
514
519
526
531
553567567583605617622553567567583605617622§ 10-6. Особенности различных видов сварки плавлением среднелегированных сталей
553
567
567
583
605
617
622
553
567
567
583
605
617
622
§ 10-7. Рекомендуемая технология сварки некоторых марок среднелегированных сталей
§ 10-8. Состав и свойства высоколегированных сталей и сплавов
§ 10-9. Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов
§ 10-10. Сварка плавлением высоколегированных сталей и сплавов
§ 10-11. Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов различных групп
§ 10-12. Сварка разнородных сталей
11 Технология сварки цветных металлов635
§ 11-1.Легкиеметаллыи их сплавы636
§ 11-2.Сплавына основемагния651
§ 11-3. Бериллий и его сплавы652
§ 11-4. Титан и его сплавы653
§ 11-5.Медь иее сплавы665
§ Ц-6.Никельи его сплавы673
§ 11-7. Химически активные тугоплавкие металлы (цирконий, ниобий, тантал, молибден и др.)674
§ 11-8. Разнородные металлы681
12 Технология сварки в особых условиях684
§ 12-1.Сваркапод водой684
§ 12-2.Сваркав космосе686
§ 12-3.Сваркапри низкихтемпературах690
13 Технология наплавки694
694704711726737694704711726737§ 13-1. Выбор состава наплавленного металла
694
704
711
726
737
694
704
711
726
737
§ 13-2. Методы легирования наплавленного слоя
§ 13-3 Материалы для наплавки
§ 13-4. Техника наплавки
§ 13-5. Технология наплавки металла различного состава
14 Методы иеразрушающего контроля качества сварных соединений751
|
§14-1.Радиационные методы контроля751
§14-2.Ультразвуковая дефектоскопия754
§14-3^Магнитографический метод контроля755
757757Список литературы
757
757
Предметный указатель
Т38 Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б. Е. Патона. М., «Машиностроение», 1974.
768 с. с ил
В книге приведена сравнительная характеристика различных способов сварки, рассмотрены вопросы свариваемости основного металла Даны сведения о сварочных материалах, оборудовании и режимах, применяемых при сварке и наплавке разнообразных конструкций из различных металлов и сплавов.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников предприятий и научно-исследовательских организаций.
31206-060038(01)-7431206-060038(01)-74060-74060-746П4.36П4.3
31206-060
038(01)-74
31206-060
038(01)-74
060-74
060-74
6П4.3
6П4.3
ТЕХНОЛОГИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПЛАВЛЕНИЕМ
Редактор издательства Т. Е. Черешнева Технический редактор Н. Ф. Демкина
Корректор В. А. Воробьева
Художник Е. Г. Байтман
Сдано в набор 20/XII 1973 г
Подписано к печати 13/IX 1974 г. Т-16144
Формат 60x90:/ie
Бумага неманская № 1 для глубокой печати Усл печ л 48Уч -изд л 51,6
Тираж 28 000 экз. Заказ 782 Цена 3 р 41 к
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3
Ленинградская типография № 6
Союзполиграфпрома прн Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 193144. Ленинград, С-144, ул Моисеенко, 10
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
Стр.
Строка
Напечатано
Должно бить
4
9-я сверху
§ 8-1 и 8-11
§ 8-1—8-11
5
16-я снизу
Т. С. Шониным
Г. С. Шониным
20
22-я и 23-я
газ и покрытие
покрытие
снизу
92
10-я снизу '
до температуры примерно
от температуры примерно
1200°С
1200°С
93
6-я»
участков
дефектных участков
113
24-я сверху
400
40
183
4-я»
его
ее
194
Подрисуноч-
горизонтальных швов
швов
мая подпись
к рис. 5-29
304
Подрисуноч-
1, 2, 3, 4, 5
5, 4, 3, 2, 1
ная подпись
к рис. 7-7
399
8-я сверху
переменного
ПОСТОЯННОГО
501
20-я»
электродами ЦЧ-4
электродами, ЦЧ-4
536
6-я снизу
металлографии (рис 10-9).
металлографии.
551
18-я»
(рис 10-17, б)
(рис. 10-17, а).
19-я»
(рис 10 17 а).
Грис. 10 17, б).
579
12-я»
Х25Н20С2Р1
Х25Н20СЗР1
590
4-я»
Х25Н20С2
Х25Н20СЗ
599
габл 10-21
0,10—0,1
0,10—1,0
2-я графа
4-я снизу
628.
4-я сверху
(рис 10-45, б).
(рис. 10-44, б).
643
23-я$
20% Na,Ale.
20% Na3AlFe.
699
13-я снизу
G
С
11-я»
С
G
749
17-я сверху
20%
40%
Колл авт под ред. Б. Е. Патона, Заказ № 782.