ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктивные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки штуч­ными электродами такие же, как и для сварки углеродистых сталей, т. е. в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5264—69. Для сварки низколегированных сталей повышенной прочности выбирают электроды типов Э50А—Э85 и др. по ГОСТ 9467—75; для низколегированных теплоустойчивых сталей — электроды типов Э-М—Э-Х5МФ, в зависимости от состава и свойств свари­ваемой стали.

Для сварки среднелегироваиных высокопрочных сталей исполь­зуют электроды типов ЭА-1Г6, ЭА-2Г6, ЭА-ЗМ6 по ГОСТ 10052—75 (табл. 63).

Температуру предварительного подогрева при сварке низко­легированных сталей с повышенным содержанием углерода наз­начают в соответствии с результатами расчета, выполненного по методике, изложенной в § 1 данной главы. Расчетную скорость охлаждения при температуре наименьшей устойчивости аусте­нита принимают для стали данной марки в зависимости от харак­тера термообработки до и после сварки и требований к свойствам сварного соединения.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке на высокую прочность (нормализации или закалке с отпуском), а после сварки — отпуску для снятия напряжений и выравни­вания механических свойств сварного соединения с целью обес­печения его равнопрочности с основным металлом, то критерием расчетного определения температуры предварительного подогрева будет скорость охлаждения wR, при которой имеет место частичная закалка околошовной зоны, по гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения последующей термообра­ботки.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке, но после сварки отпуск невозможен из-за крупных размеров кон­струкции, то сталь данной марки можно использовать для изго­товления такой конструкции только в том случае, если не предъ­является жестких требований к равнопрочности сварного соеди­нения и основного металла в условиях статического нагружения. Для обеспечения свойств сварного соединения, гарантирующих требуемую его работоспособность, критерием необходимой тем­пературы подогрева будет диапазон скоростей охлаждения Лш0Пт, обеспечивающий необходимый уровень механических свойств в околошовной зоне.

Аустенитными электродами обычно сваривают без предвари­тельного подогрева, но при этом регламентируется время с мо­мента окончания сварки до проведения термообработки изделия. Если сваривают среднелегированные стали с невысоким содержа­нием углерода (0,12—0,17%), то последующую термообработку проводят в исключительно редких случаях. Разделку заполняют каскадом или горкой, причем длину участков рассчитывают со­гласно указаниям, изложенным в § 2 данной главы. Температура охлаждения зоны термического влияния в процессе сварки допу­скается не ниже Т’в — 150 - н 200 °С.

Если термообработка сваренного изделия не может быть вы­полнена (например, из-за крупных размеров), то на кромки де­тали, подлежащие сварке, наплавляют аустенитными или низко­углеродистыми (низководородистыми) электродами неза наливаю­щийся слой металла такой толщины, при которой температура стали под слоем в процессе выполнения сварки не превысит температуру отпуска при термообработке деталей с наплавленными кромками. Необходимая для соблюдения этого условия толщина слоя аустснитной или низкоуглеродистой наплавки может быть рассчитана по уравнению (54). При этом расчете принимают Ттл% = = ^опт* Детали с наплавленными кромками сваривают аустенит­ными или низкоуглеродистыми и низководородистыми электро­дами без подогрева и последующей термообработки. Режимы сварки принимают в соответствии с рекомендациями для аусте - нитных электродов.

Механизированная сварка под флюсом. Конструктивные эле­менты подготовки кромок под автоматическую и полуавтоматиче­скую сварку под флюсом выполняют такими же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструк­ционных сталей, т. е. в соответствии с рекомендациями ГОСТ 8713—70. Однако в диапазоне толщин, для которого допускается сварка без разделки и со скосом кромок, последней следует отдать предпочтение. Наряду с затруднениями, связанными с образова­нием холодных трещин в околошовной зоне п получением металла шва и других зон сварного соединения со свойствами, обеспечи­вающими высокую работоспособность сварных соединений, при механизированной сварке под флюсом швы имеют повышенную склонность к образованию горячих трещин. Это связано с тем, что при данном способе сварки доля основного металла в металле шва достаточно велика.

В связи с этим в шов с расплавленным основным металлом поступают легирующие элементы, содержащиеся в свариваемой стали, в том числе и углерод, концентрация которого в сталях этой группы достаточно высока. Влияние содержания углерода, серы и марганца в шве на склонность к образованию горячих трещин схематически представлено на рис. 124. Линия 1 служит границей раздела составов с низким содержанием углерода |С]'ЧШ, при которых образуются или не образуются горячие трещины. При повышенном содержании углерода [С]щш такой границей будет линия 3, в этом случае даже при низком содержании серы и большой концентрации марганца в шве могут возникнуть горя­чие трещины. При механизированной сварке под флюсом необ­ходимы подготовка кромок, техника и режимы сварки, при кото­рых доля основного металла в шве будет минимальной.

1 т 2 — соединения без разделки кромок; 3 и 4 — соединения с разделкой кромок-

1 и а — сварка при больших силах тока;

2 и 4 — сварка при малых силах тока

На рис. 125 показано влияние силы сварочного тока и скоро­сти сварки на долю участия основного металла в образовании шва. Доля участия у0 растет с увеличением силы тока и скорости сварки. Для уменьшения ус сварку следует проводить на мини­мально возможных силах тока и скоростях сварки, обеспечиваю­щих получение швов заданных размеров и формы. Кроме того, для уменьшения у0 следует отдавать предпочтение разделке кро­мок под сварку.

При использовании для сварки низкоуглеродистых проволок в полной мере можно реализовать преимущество сварки под флюсом; полушать швы с глубоким проплавлением, используя при однопроходной сварке стыковых соединений без разделки кромок повышенный сварочный ток и скорость сварки. Необ­ходимый состав металла шва будет обеспечиваться повышением доли основного металла в шве, которую при выборе режима сварки во избежание перелегирования шва следует проверять расчетом.

Сварочные материалы (электродную проволоку и флюс) выби­рают в зависимости от состава и назначения свариваемой стали. Для низколегированных сталей повышенной прочности (напри­мер 40Х, ЗОХГС, ЗОХНМ, ЗОХМА и им подобным) в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям, исполь­зуют низкоуглеродистую проволоку' Св-08А и легированные про­волоки, например Св-10ГН, Св-08ГСМТ, Св-18ХГС и др.

Флюс выбирают в зависимости от марки электродной прово­локи. При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегированной, не содержащей достаточного количества эле­ментов раскислителещ сварку выполняют под кислыми высоко-
или среднемарганцовистыми флюсами (в зависимости от состава свариваемой стали). При использовании низколегированных про­волок, содержащих элементы-раскислители в достаточном коли­честве, лучшие результаты (по механическим свойствам металла шва) обеспечивает применение низкокремнистых, низкомарган­цовистых флюсов, например ЛН-15, АН-24, АН-20. При сварке теплоустойчивых сталей используют электродные проволоки, леги­рованные молибденом или комплексно хромом, молибденом и ванадием, например Св-08ХМ, Св-08МХ, Св-08ХМФА и другие по ГОСТ 2240-70.

Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенит - ной сварочной проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т выполняют только под слабо окислительными или безокислительными основными флюсами, предназначенными для сварки высоколегированных хромоникелевых сталей, напри­мер 48-ОФ-6, АН-20 и др. При этом режимы сварки должны обеспечивать требуемые размеры и форму швов и минимально возможное проплавление основного металла. С этой целью в неко­торых случаях применяют сварку трехфазной дугой под плав­леными или керамическими основными флюсами.

Температуру предварительного подогрева при сварке низко­легированных сталей с повышенным содержанием углерода рас­считывают по методике, изложенной в § 1 данной главы, причем расчетную скорость охлаждения Ашопт или н;л в зависимости от характера термообработки до и после сварки и требований к свой­ствам сварных соединений выбирают на тех же основаниях, что и при ручной дуговой сварке.

Сварка в среде защитных газов. Сварка в среде защитных газов находит широкое применение при изготовлении тонколисто­вых копструкций из низколегированных и среднелегированных высокопрочных сталей и конструкций из металла средней и боль­шой толщины. Конструктивные элементы подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в соответ­ствии с требованиями ГОСТ 14771—69.

В зависимости от разновидности способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна быть различной. Так как при сварке в защитных инертных газах расплавленный металл изоли­рован от атмосферного воздуха, то в сварочной ванне могут про­текать металлургические процессы, связанные с наличием в нем растворенных газов и легирующих элементов, внесенных из основ­ного илп дополнительного металла. При использовании смесей инертных с активными газами возникают металлургические вза­имодействия между элементами, содержащимися в расплавленном металле, и активными примесями в инертном газе.

Если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода, то при высоких концентрациях углерода будет про­текать реакция окисления его. Если концентрация углерода в сва­рочной ванне в период кристаллизации будет достаточно высокой, то при отсутствии или недостатке других раскислителей реакция образования СО будет продолжаться, что может вызвать поро­образование. Возникновению пор способствует также и водород, содержание которого при малой степени окиелепности ванны может быть достаточно высоким.

Для подавления реакции окисления углерода в период кри­сталлизации металла шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество раскислителей, например кремния или марганца. Наряду с этим устранение пор при отсутствии раскис­лителей при сварке с защитой аргоном может быть достигнуто некоторым повышением степени окисленности ванны за счет добавки к аргону кислорода (до 5%) или углекислого газа (до 25%) в смеси с кислородом (до 5%). При этом интенсифицируется окисление углерода в зоне высоких температур (в головной части сварочной ванпы), усиливается его выгорание, вследствие чего концентрация углерода и содержание кислорода в сварочной ванне к моменту начала кристаллизации уменьшаются и тем самым прекращается образование СО.

Интенсивное окисление углерода вызывает энергичное кипе­ние сварочной ванны в головной ее части, за счет которого пузырь­ки окиси углерода, интенсивно выделяясь из ванны, захватывают и уносят выделяющийся из раствора водород, как бы очищая ванну. При сварке низколегированных закаливающихся сталей в инертных газах и их смесях с активными можно использовать любую из тридцати марок легированной проволоки, предусмо­тренных ГОСТ 2246—70; ту или иную марку необходимо выбирать в зависимости от состава и свойств свариваемых сталей и от тре­буемого состава металла шва. Так, например, при сварке молиб­деновых, хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей следует использовать одну из марок проволок, содержащих мо­либден, хром и молибден или хром, молибден и ванадий (например, Св-08МХ, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и др.), в зависимости от состава свариваемой стали.

При сварке в углекислом газе — активном окислителе ван­ны — в составе проволоки обязательно, кроме других легирующих элементов, должны присутствовать раскислители — кремний и марганец (а иногда и титан). Поэтому для сварки в углекислом газе можно использовать только те проволоки, в составе которых содержатся эти элементы, т. е. в маркировке обозначены «Г» и «С», например Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА и др. в зависимости от состава свариваемой стали и требований к механическим свойствам металла шва.

При сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными) используют низкоуглеродистые леги­рованные и аустенитные высоколегированные проволоки, например СВ-10ХГСН2МТ, Св-ОЗХГНЗМД, Св-08Х20Н9Г7Т, Св 10X101125 АМС, Св-Х21Н10Г6. Однако равнопрочности ме­талла шва и свариваемой стали получить не удается; обеспечить агрегатную равноирочность сварного соединения и основного ме­талла можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В этом случае работоспособность сварного соединения при данном соотношении свойств мягкой прослойки — шва и основного металла определяется относительной толщиной мягкой прослойки.

В наиболее полной степени эффект контактного упрочнения может быть реализован при применении так называемой щелевой разделки, представляющей собой стыковые бесскосные соединения с относительно узким зазором.

Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва поз­воляет выполнять иол уавтоматическую сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сокра­тить до минимума перерыв между наложением слоев многослой­ного шва, а также выполнять автоматическую двух - или много­дуговую сварку дугами, горящими в различных плавильных пространствах таким образом, чтобы тепловое воздействие от выполнения последующего слоя на околошовную зону предыду­щего происходило при необходимой температуре. Все это позво­ляет регулировать термический цикл наилучшим образом, доби­ваясь наиболее благоприятных структур в околошовной зоне.

Электрошлаковая сварка. Применение электрошлаковой сварки низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода и среднелегированных глубокопрокалпвающихся сталей наиболее рационально для соединения толстолистовых конструкций. Основ­ные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов, выполняемых электрошлаковой сваркой, должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164—69, который регламентирует основные типы соединений, выполняемых всеми разновидностями электро­шлаковой сварки.

Для электрошлаковой сварки низколегированных сталей повы­шенной прочности и среднелегированных высокопрочных сталей применяют флюсы марок АН-8, АН-22 и др. При выборе электрод­ной проволоки для электрошлаковой сварки следует исходить из требований к составу металла шва. Флюс практически мало влияет на состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае необходимости легирования шва эле­ментами, обладающими большим сродством к кислороду (например Ті, А1), следует применять флюсы на основе фторидов или системы CaF2—СаО—А12Од.

Электродные проволоки при сварке проволочными электро­дами и плавящимся мундштуком в зависимости от состава свари­ваемой стали и требований, предъявляемых к шву, выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246—70, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА, Св-10Х5М и др. Пластины при сварке плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами изготовляют из аналогичных сталей.

Рис. 126. Направленность столб­чатых кристаллитов в шве, выпол­ненном электрошлаковой сваркой:

а — при узкой и глубокой металличе­ской ванне; б — при нормальной ши­рине ванны

Высокие значения погон­ной энергии при электрошла­ковой сварке позволяют в ряде случаев выполнять ее без предварительного подо­грева, даже при сварке низко­легированных сталей с повышенным содержанием углерода. Однако при неблагоприятных условиях и при электрошлаковой сварке могут возникать горячие трещины в шве и горячие и холодные трещины типа отколов в околошовной зоне. Трещины - отколы возникают преимущественно в начале шва и на участках возобновления процесса из-за случайных перерывов.

Для предупреждения горячих трещин в шве необходимо выпол­нять сварку на режимах, обеспечивающих получение относительно неглубокой и широкой металлической ванны. При этом столб­чатые кристаллиты по мере приближения их к оси изгибаются кверху, вследствие чего отсутствует резко выраженная встреча кристаллитов (рис. 126, б). Наоборот, при сварке на режимах, при которых образуется узкая и глубокая сварочная ванна, столбчатые кристаллиты, растущие от противоположных кромок, почти не изменяют своего направления, и при их встрече обра­зуется резко выраженная плоскость слабины (рис. 126, а). Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до температуры 150—200 °С.

Низкие скорости охлаждения околошовной зоны при электро­шлаковой сварке приводят к длительному пребыванию ее в области высоких температур, вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. Поэтому после электрошлаковой сварки низколегирован­ных сталей с повышенным содержанием углерода и среднелегиро­ванных высокопрочных сталей необходима высокотемпературная термообработка сваренных изделий для восстановления механи­ческих свойств до необходимого уровня. Время с момента окон­чания сварки до проведения термообработки должно быть регла­ментировано.

9 А. И. Акулов и др.