Лекции ТиОСП. Курс лекций Технология и оборудование сварки плавлением

• Название: Курс лекций Технология и оборудование сварки плавлением
• Анкор: Лекции ТиОСП.doc
• Дата: 07.05.2017
• Размер: 28.33 Mb.
• Имя файла: Лекции ТиОСП.doc
• Тип: Курс лекций; #7190
• страница: 20 из 33

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 = 1300МПа в зависимости от проволоки имеют = 1300 МПа в случае использования проволоки Св-20Х4ГМА и = 1000 МПа — проволоки Св-18ХМА.

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 (> 1500 МПа) небольшой толщины (в основном до 3 мм) рационально исполь­зовать одностороннюю двухслойную аргонодуговую сварку воль­фрамовым электродом поперечными колебаниями.

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 -твердых растворов замы­кается при содержании свыше 13% Сг. При наличии углерода область -твердых растворов расширяется. Например, в хромистой стали, содержащей 0,25% С, область -твердого раствора замыкается при концентрации хрома свыше 21—22%. Таким образом, структура и свойства хромистых сталей опре­деляются содержанием хрома и углерода.

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 -области.

Формированию мартенсита способствуют элементы, понижа­ющие температуру →Мпревращения никель, марганец; наобо­рот, вольфрам, молибден и кремний повышают температуру превращения, благодаря чему эффект закалки снижается. Опти­мальные свойства термически-упрочняемые высокохромистые стали приобретают после закалки и высокого отпуска при температуре 650—700° С. Температуру закалки выбирают в зависимости от содержания хрома и углерода, поскольку температура нагрева сказывается на фазовом составе.

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.