Лекции ТиОСП. Курс лекций Технология и оборудование сварки плавлением
![]()
|
Тема 2.3. Технология сварки среднелегированных закаливающихся сталей. Характеристика сталей. Основные факторы, затрудняющие сварку закаливающихся сталей перлитного, мартенситного классов. Технологические особенности сварки. Сварочные материалы. Техника сварки. Назначение режимов сварки. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Характеристика сталей. Среднелегированные стали в зависимости от состава, характеризуются высоким пределом прочности и текучести в сочетании с достаточными пластическими свойствами (З0ХГСНА), относительно высокой жаропрочностью (20ХЗМВФ), окалиностойкостью (12Х5МА) и др. Свойства среднелегированных сталей могут регулироваться в известных пределах за счет взаимного изменения содержания углерода и легирующих элементов, а также в зависимости от режима термообработки. Изменение механических свойств стали в широких пределах в зависимости от вида термообработки вызывает значительные трудности при сварке. Среднелегированные стали чувствительны к образованию холодных трещин; они склонны также к развитию кристаллизационных трещин в металле шва. Это особенно проявляется при необходимости обеспечения равной прочности металла шва с основным. Среднелегированные стали поставляют по ГОСТ 4543—71 и специальным ТУ; они могут относиться или к перлитному (25ХГСА, З0ХГСА, 35ХГСА), или к мартенситному (30Х2ГН2СВМА) классам. Металлургические особенности сварки. Среднелегированные стали относятся к спокойным. Используемые при этом шлаковые системы не должны приводить к значительному развитию окислительно-восстановительных реакций на границе шлак—металл, что позволяет уменьшить загрязненность металла шва шлаковыми включениями. Например, при сварке под флюсом АН-348А содержание неметаллических включений в металле шва составляет 0,039%, а при сварке под флюсом АН-15М 0,006—0,008%. Несмотря на повышенную загрязненность металла шва шлаковыми включениями, в некоторых случаях при сварке среднелегированных сталей используют флюсы типа АН-348А. Это обусловлено тем, что подобные флюсы обеспечивают хорошее формирование шва, легкое удаление шлаковой корки, стабильное горение дуги. При выборе состава металла шва необходимо учитывать условия работы сварного соединения и требования, предъявляемые к сварным соединениям. Поскольку углерод повышает чувствительность стали к образованию кристаллизационных трещин в металле шва, то обычно содержание углерода в шве ограничивают 0,23%, а необходимые свойства получают за счет дополнительного легирования. Так, например, сварные соединения стали 30ХГСА, выполненные под флюсом АН-15, после закалки и отпуска на ![]() ![]() ![]() Для снижения вероятности образования горячих трещин из-за серы и фосфора обычно в сварных конструкциях используют высококачественные стали. Наряду с уменьшением содержания серы и фосфора в исходных материалах рационально использовать сварочные материалы (флюсы, электродные покрытия, электродную проволоку), которые обеспечивают понижение концентрации серы и фосфора в шве или уменьшают их вредное влияние. Например, содержание серы и фосфора понижается при использовании низкокремнистых флюсов с повышенным содержанием окиси кальция, например флюса АН-15М. Основная причина образования пор при сварке среднелегированных сталей — водород. Для предупреждения образования пор применяют различные металлургические приемы, исключающие попадание влаги в зону сварки. Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. Среднелегированные стали обладают ограниченной свариваемостью. Это выражается в ограничении режимов сварки и тепловых условий проведения процесса, при которых обеспечиваются требуемые свойства. Ограниченная свариваемость обусловлена повышенной прокаливаемостью среднелегированных сталей и большой зависимостью механических свойств сталей от режима термообработки. Наиболее опасный дефект околошовной зоны — холодные трещины. Независимо от исходного состояния свариваемых сталей образование холодных трещин наблюдается в высокотемпературной области зоны аустенитизации. Переход к режимам сварки с большей погонной энергией позволяет снизить вероятность образования холодных трещин, если изменение режима приводит к снижению содержания мартенсита или предотвращает его образование в структуре металла зоны термического влияния. В некоторых случаях подобный режим обеспечивается только при применении подогрева, предварительного или сопутствующего. Предварительный подогрев целесообразен при сварке массивных деталей, сопутствующий можно использовать как для тонкостенных деталей, так и массивных. Образование холодных трещин носит замедленный характер, поэтому в тех случаях, когда время до термообработки сварных соединений меньше инкубационного периода образования холодных трещин, образование холодных трещин предотвращают путем проведения после сварки отпуска. Ограничения в режимах сварки с целью предотвращения образования холодных трещин возрастают с повышением содержания углерода в стали. Это вызвано несколькими причинами: понижением температуры мартенситного превращения, критической скорости закалки и пластических свойств мартенсита с увеличением содержания углерода. Влияние температуры начала мартенситного превращения на образование холодных трещин связывают с развитием самоотпуска мартенсита. Если мартенситное превращение протекает при температурах 250—300° С, то. из-за развития процесса самоотпуска мартенсита опасность образования холодных трещин снижается. Поскольку пластические свойства мартенсита с увеличением содержания углерода падают, а внутренние напряжения, формирующиеся в результате мартенситного превращения, возрастают, то с целью снижения ограничений в технологии сварки следует использовать среднелегированные стали с минимальным содержанием углерода, обеспечивающим заданную прочность. Оптимальные свойства среднелегированных сталей обеспечиваются после проведения термообработки, которая в большинстве случаев заключается в закалке (нормализации) с отпуском. В зависимости от структурного состояния элементов, поступающих на сварку, возможно изготовление сварных узлов по двум основным вариантам: элементы поступают на сварку в термообработанном состоянии на оптимальные свойства; термообработку, обеспечивающую оптимальные свойства металла, проводят после выполнения сварочных работ. При сварке сталей в термообработанном состоянии прочность сварного соединения определяется прочностью зоны разупрочнения. Уменьшения уровня снижения свойств сварного соединения достигают путем использования режимов с малой погонной энергией. Если возможно, выполняют многослойную сварку. Однако режимы с малой погонной энергией могут привести к образованию холодных трещин. Образованию холодных трещин при сварке элементов в термообработанном состоянии способствует также повышенная жесткость металла. Для предотвращения образования холодных трещин и уменьшения потери свойств в зоне разупрочнения используют режимы сварки, характеризующиеся малой величиной погонной энергии в сочетании с подогревом. Обычно температуру подогрева принимают несколько ниже температуры начала мартенситного превращения. Для высокопрочных сталей (ЗОХГСА, ЗОХГСНА и др.) температуру подогрева назначают в пределах 200—300° С. Если возможно, то непосредственно после сварки узел подвергают отпуску обычно по режиму отпуска стали. Наиболее рационально использовать сопутствующий локальный подогрев (локальная термообработка), который не сказывается на протяженности зоны термического влияния сварки и в то же время позволяет осуществить или отпуск закаленного металла зоны аустенитизации, или режим, близкий к ступенчатой закалке. Локальную термообработку осуществляют путем последовательного перемещения дополнительного источника нагрева, газового пламени, плазменной струи, светового луча или индуктора вдоль сварного соединения. Локальная термообработка может быть совмещена со сваркой или выполнена отдельно. Если предварительный или сопутствующий подогрев, а также отпуск узла после сварки недопустимы по каким-либо условиям, а путем изменения режима сварки образование трещин не предотвращается, то используют проволоку, обеспечивающую получение металла шва с аустенитной структурой. В этом случае, как правило, прочность соединения определяется прочностью металла шва. Если полную термообработку проводят после сварки, то основным критерием выбора режима сварки служит предотвращение образования холодных трещин. Не следует применять режимы сварки с заведомо большой погонной энергией, так как их использование усиливает формирование структур перегрева. По этой причине иногда сварку ведут на режимах с малой погонной энергией, но в сочетании с подогревом (общим или локальным). В большинстве случаев после сварки среднелегированных сталей для улучшения структуры, снижения структурных напряжений, а также предотвращения образования холодных трещин в зоне сварных соединений проводят промежуточную термообработку, общую или локальную. Как правило, локальная термообработка оказывается более рациональной, поскольку может осуществляться в общем производственном потоке. Температуру промежуточной термообработки при общем нагреве выбирают в пределах до Ас1 (высокий отпуск). Особенности сварки сталей различными способами. Для сварки покрытыми электродами в основном используют электроды с покрытием основного типа. В зависимости от требований, предъявляемых к металлу шва и технологии сварки, используют электроды, обеспечивающие получение среднелегированного металла шва; НИАТ-ЗМ (тип Э85), ВИ10-6 (типа Э100); УОНИ-13/18ХМА (тип ЭЮО-Ф), НИАТ-3 (типа Э145) и электроды, обеспечивающие получение аустенитного металла шва, НИАТ-б, ВИ12-6. Сварка под флюсом. В зависимости от требований к металлу шва используют высокомарганцовистые флюсы — силикаты типа АН-348А и низкокремнистые безмарганцовистые флюсы АН-15, АН-15М и др. Низкокремнистые безмарганцовистые флюсы по сравнению с высокомарганцовистыми флюсами позволяют получить металл шва с более высокими пластическими свойствами. Флюсы АН-15 и АН-15М несколько уступают флюсу АН-348-А в технологическом отношении, и при их использовании сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Для дуговой сварки в атмосфере защитных газов в качестве защитного газа используют углекислый газ и аргон. При сварке в углекислом газе в зависимости от требований, предъявляемых к шву, применяют сварочные проволоки: Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-18ХМА, Св-08ХГ2С, Св-08ХЗГ2СМ, Св-10ХГ2СМА и др. Поскольку в проволоке Св-18ХМА пониженное суммарное содержание раскислителей, то наиболее рационально ее использовать при сварке одно- и двухслойных швов. При сварке многослойных швов применяют электродную проволоку Св-08ХЗГ2СМ, при этом первый слой можно выполнять менее легированной проволокой, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ и др. При сварке плавящимся электродом с целью снижения вероятности образования пор и повышения стабильности процесса рационально использовать аргон с добавками 5—10% кислорода или углекислого газа. При сварке сталей высокой прочности ( ![]() При сварке неплавящимся электродом для увеличения глубины проплавления, особенно в случае использования сталей специальной выплавки (электрошлакового переплава, рафинированных синтетическими шлаками и др.), целесообразно использовать активирующие флюсы-пасты. Флюс наносят на свариваемые кромки в виде тонкого слоя с помощью специального стержня-карандаша. Содержащиеся во флюсе компоненты (главным образом фториды и окислы) способствуют сжатию столба дуги, благодаря чему и обеспечивается увеличение глубины проплавления. При электрошлаковой сварке используют флюсы АН-8, АН-8М, АН-22 и стандартные электродные проволоки Св-12ГС, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА, Св-10Х5М и др., которые выбирают в зависимости от состава свариваемой стали. Поскольку электродная проволока имеет пониженное содержание углерода, то обычно применяют электродную проволоку, которая позволяет дополнительно легировать металл шва. С целью получения металла шва с требуемыми свойствами обычно используют режимы, обеспечивающие долю участия основного металла в образовании шва до 50—60%, что позволяет приблизить состав металла шва к основному. При электрошлаковой сварке, как правило, не наблюдается образования холодных трещин. Это обусловлено малыми скоростями охлаждения металла зоны аустенитизации, позволяющими предотвратить образование структур закалки или обеспечить их самоотпуск. Однако подобные термические условия способствуют формированию в зоне термического влияния структур перегрева, что приводит к значительному снижению пластических свойств. Для восстановления свойств металла зоны перегрева применяют полную термообработку (закалку с отпуском). Электронно-лучевая сварка применительно к среднелегированным сталям и особенно высокопрочным — перспективный метод, поскольку позволяет получить сварные соединения с благоприятной структурой и высокими механическими свойствами. Подобное сочетание свойств обеспечивается путем использования режимов с малой погонной энергией. Склонность к образованию холодных трещин швов, выполненных электронно-лучевой сваркой на режимах с малой погонной энергией, ниже, чем швов, выполненных дуговой сваркой. Это, по-видимому, обусловлено, с одной стороны, более низким уровнем внутренних напряжений в сварных соединениях, выполненных электронно-лучевой сваркой, с другой — повышением температуры мартенситного превращения из-за большой неоднородности аустенита. Электронно-лучевая сварка дает хорошие результаты при сварке сталей толщиной до 30 мм. При сварке более толстого металла и содержании углерода в стали свыше 0,2% возникают трудности из-за образования кристаллизационных трещин. Тема 2.4. Технология сварки высоколегированных сталей. Состав и свойства. Основные сведения о свариваемости. Выбор способов сварки и сварочных материалов. Технология сварки мартенситных и мартенситно-ферритных высокохромистых сталей. Технология сварки высокохромистых ферритных сталей. Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей. ТЕХНООГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Характеристика высоколегированных сталей. В зависимости от структуры основы (матрицы) высоколегированные стали могут относиться к ферритному, аустенитному и мартенситному классам. Помимо сталей с однофазной основой, в настоящее время широко используют двухфазные стали переходных классов: аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и мартенситно-ферритные. Основными легирующими элементами высоколегированных сталей являются хром, никель, марганец. По системе легирования стали подразделяют на высокохромистые, хромоникелевые, хромоникелемарганцевые и др. Высокохромистые стали. В безуглеродистых железо-хромистых сплавах область ![]() ![]() ![]() В зависимости от развития структурных превращений хромистые стали подразделяют на три группы Стали первой группы обычно относятся к мартенситным (20X13, 14Х17Н2 и др), второй — ферритно-мартенситным (12X13, 14Х12В2МФ) и третьей — ферритным (12X17, 08Х17Т). В хромистых сталях хром, как более энергичный карбидообразователь, вытесняет железо из цементита и образует сложные карбиды типа (CrFe)7C3; (CrFe)23C6. Хром снижает критическую скорость закалки и способствует прокаливаемости стали. Наличие хрома в стали повышает коррозионные свойства стали, а при содержании свыше 12—13% Сг сталь не подвержена коррозии в атмосфере воздуха, а также в некоторых средах и относится к коррозионностойким. Упрочнения феррита в высокохромистых сталях достигают легированием, главным образом вольфрамом, молибденом, никелем, ванадием, а также закалкой из ![]() Формированию мартенсита способствуют элементы, понижающие температуру ![]() Высокохромистые стали с различными добавками используют не только как коррозионно-стойкие, но и как жаростойкие и жаропрочные. Ферритные жаропрочные стали по сравнению о аустенитными имеют пониженную жаропрочность. Ферритные стали более склонны к росту зерна в околошовной воне при сварке. |