СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Технология сварки и свойства сварных соединений

Низкоуглеродистые стали имеют благоприятные показатели свариваемости и при соблюдении определенных условий могут быть сварены всеми видами сварки, имеющими промышленное значение (1]. При этом сварные швы обладают необходимой стойкостью против образования кристаллизационных трещин вследствие пониженного содержания углерода. Образование кристаллизационных трещин возможно лишь в случае неблаго­приятной формы провара, например в угловых швах, первом слое многослойного стыкового шва, односторонних швах с пол­ным проваром кромок, когда содержание углерода приближа­ется к верхнему пределу (0,22—0,25 %).

Сосуды и аппараты и их элементы из углеродистых и низко­легированных сталей, изготовленные с применением сварки, штамповки, вальцовки в соответствии с ОСТ 291—81, подле­жат обязательной термообработке — высокому отпуску, если: а) толщина стенки цилиндрической или конической части днища, фланца или патрубка сосуда в месте их сварного соеди­нения более 36 мм для углеродистых сталей и более 30 мм для низколегированных марганцовистых сталей; б) они предназна­чены для эксплуатации в средах, вызывающих коррозионное растрескивание.

7.5.1. Ручная сварка

Требования к конструктивным элементам и геометрическим размерам сварных швов регламентируются ГОСТ 5264—80.

Для сварки углеродистых сталей применяют электроды ти­пов Э42 и Э46. Наиболее широко используют электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием из-за высокой технологичности и хороших гигиенических показателей. При сварке низкоуглеро­дистых сталей электродами АНО-3, АНО-4, МР-1, МР-3 этого типа обеспечивается следующий уровень механических свойств металла шва - от^380 МПа; ов^480 МПа; 6^25%; ф^65%; KCU^ 1,5 МДж/м2.

При необходимости обеспечить наряду с другими показате­лями достаточную сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин рекомендуется использовать электроды с фто­ристокальциевым покрытием типа Э42А марки УОНИ 13/45, предназначенные для сварки на постоянном токе обратной по­лярности.

7.5.2. Сварка под флюсом

Конструктивные элементы подготовки кромок и размеры свар­ных швов регламентируются ГОСТ 8713—79.

Необходимый уровень механических и технологических свойств сварных соединений достигается при использовании в качестве сварочных проволок Св-08, Св-08А, Св-08ГА и Св - 10ГА в сочетании с высококремнистыми флюсами АН-348-А, ОСЦ-45 При этом удается реализовать такое преимущество данного вида сварки, как возможность обеспечить получение швов с глубоким проплавлением за один проход без разделки кромок. Увеличение при этом доли участия основного металла в металле шва не снижает технологической прочности швов вследствие пониженного содержания в них углерода. Возможно применение сварки с полным проплавлением металла с форми­рованием обратной стороны шва на флюсовой подушке или флюсомедной подкладке.

При сварке проката толщиной до 3 мм применяют свароч­ную проволоку диаметром 3 мм. При этом сила сварочного тока / = 80-М 50 А Двустороннюю сварку проката толщиной от 10 до 40 мм осуществляют сварочной проволокой диамет­ром 5 мм. С увеличением толщины свариваемого проката силу сварочного тока увеличивают от 650 до 1200 А, напряжение — от 34—38 до 40—40 В для переменного тока и от 30—32 до 32—36 В для постоянного тока (обратная полярность). Ско­рость сварки при этом снижают с 32—34 до 12—14 м/ч Ука­занные режимы относятся к условиям сварки под флюсом на флюсовой подушке. Для увеличения производительности про­цесса сварки может быть использована технология сварки с до­полнительным гранулированным присадочным материалом (ДГПМ).

7 5 3. Электрошлаковая сварка

Конструктивные элементы подготовки кромок и размеры швов регламентируются ГОСТ 1564—79.

Преимущества электрошлакового процесса по производи­тельности и качеству сварных соединений особенно ощутимы при сварке проката большой толщины, как правило, более 30—40 мм. Равнопрочность сварных соединений обеспечива­ется при использовании сварочных проволок Св-10Г2 или Св-08ГС в сочетании с флюсами АН-8 или ФЦ-7.

При электрошлаковой сварке из-за длительного пребывания при температуре в околошовном участке ЗТВ более 1000— 1100 °С образуются крупные зерна аустенита, распад которых в условиях замедленного охлаждения сопровождается возник­новением видманштеттовой структуры с пониженной ударной вязкостью по сравнению с основным металлом.

Электрошлаковые сварные соединения стали 20К толщиной 110 мм (флюс АН-22, сварочная проволока ЗСв-10Г2) в состоя­нии после отпуска при 600—650 °С в течение 4 часов имеют ав = 480—490 МПа. Минимальный уровень ударной вязкости KCU металла шва при температурах +20 и —20 °С равен со­ответственно 0,42 и 0,24 МДж/м2, а процент волокнистой со­ставляющей в изломе В = 30 и 5%. В околошовном участке KCU=0,7KCU~20 = 0,27 МДж/м2; В = 30 и 5 %.

Для повышения показателей ударной вязкости электрошла­ковые сварные соединения подвергаются последующей или со­путствующей высокотемпературной обработке — нормализации, после которой осуществляют высокий отпуск для снятия сва­рочных напряжений, если толщина проката превышает 36 мм.

При выполнении нормализации температура печи при по­садке сварных изделий, аппаратов или их узлов должна быть не более 250—300 °С, скорость нагрева не должна превышать 100—150 °С/ч. Охлаждение — на спокойном воздухе.

При проведении последующего отпуска температура печи при посадке и скорость нагрева изделий такие же, как и при нормализации. Температура при выгрузке — не более 300 °С.

Температура нагрева при нормализации сварных изделий из углеродистых сталей типа СтЗ, 1 ОК., 20К составляет 910— 920 °С, а при высоком отпуске 650± 10 °С.

Время выдержки при нормализации 1—1,5 мин на 1 мм тол­щины проката. При высоком отпуске время выдержки выбира­ется из расчета 2—3 мин на 1 мм толщины проката. После ох­лаждения на спокойном воздухе структура металла шва и ЗТВ — феррито-перлитная. Структура сварных соединений ха­рактеризуется высокой степенью дисперсности.

7.5.4. Сварка с регулируемым термическим циклом

С целью повышения эффективности применения электрошла - ковой технологии за счет исключения необходимости примене­ния последующей высокотемпературной обработки электрошла - ковых сварных соединений предложены такие технологические способы регулирования структуры и свойств, как использова­ние дополнительного гранулированного присадочного металла (ДГПМ), электромагнитное перемешивание (ЭМП) металла в сварочной ванне, ввод дополнительных электродов без тока в сварочную ванну, дозирование мощности, сужение сварочного зазора (УЗ), модулирование сварочного тока (МТ), принуди­тельное сопутствующее охлаждение (ПСО) в процессе сварки

[2] . Как показано в работе [3], среди этих методов только со­путствующее охлаждение или сочетание с ним других методов позволяют обеспечить высокую дисперсность и однородность структуры н повысить ударную вязкость при низких темпера-

турах до уровня, при котором отпадает необходимость в вы­полнении последующей нормализации.

Например, в состоянии после ЭШС с сопутствующим ох­лаждением и последующим отпуском при 620 °С значения KCU~20 металла шва и околошовного участка ЗТВ сварных со­единений стали 20К. толщиной 100 мм превышают 0,4 МДж/м2. Отмеченное достигается как за счет ограничения роста зерна аустенита в 1,5—2 раза по сравнению с ЭШС по общепринятой технологии, так и повышения дисперсности действительного зерна феррита при одновременном сокращении в составе струк­туры ферритной составляющей.

Длительность охлаждения тв-5 при ЭШС с регулированием термических циклов (РТЦ) зависит при прочих равных усло­виях от схемы, интенсивности, площади и места отвода тепла относительно шлаковой и металлической ванн. Для определе­ния реализуемых значений te-s с целью сопоставления их с до­пустимыми можно воспользоваться номограммой, представлен­ной в работе [3].

Данные, представленные в табл. 7.2, иллюстрируют влия­ние различных видов последующей термообработки на изме­нение стандартных показателей механических свойств и тре - щиностойкость металла шва электрошлаковых сварных соеди­нений низкоуглеродистой стали.

Параметры трещиностойкости (Kic, dl/dN) определены рас­четным путем с использованием данных по стандартным пока­зателям механических свойств (оо,2, 0в, Ф) с применением спе­циальной программы и персональной ЭВМ типа ЕС-1840.

Как видно из табл. 7.2, применение нормализации способ­ствует существенному повышению показателей ударной вязко­сти и циклической трещиностойкости металла шва электрошла - ковых сварных соединений.

Если при сварке обеспечить интенсивность охлаждения, пред­отвращающую или ограничивающую появление перлитной со­ставляющей в структуре металла - шва и ЗТВ, то сварку можно осуществлять без применения последующей высокотемператур­ной термообработки, ограничиваясь последующим отпуском с целью снятия сварочных напряжений.

Для выбора рационального вида и технологии сварки без последующей высокотемпера­турной термической обработки с учетом свариваемости ста­лей и толщины проката мож­но воспользоваться номограм­мой, представленной на рис.

7.2. Она построена на основе учета соотношения длитель­ностей ' охлаждения тп для заданного химического со­става стали и Т8-5 — реали­зуемой и в условиях принятой технологии сварки [3].

На рис. 7.2 выделены следующие области, соответствующие предпочтительным видам сварки: а-е — АДС, причем а, г — с ПСО; б, д—по общепринятой технологии; в, е — с подогре­вом; ж, и — однопроходная технология ЭШС, причем ж — с ПСО; з — с ДГПМ, МТ, УЗ либо в сочетании этих методов с ПСО; и—по общепринятой технологии; к, л — двухпроходная ЭШС, причем к —с ПСО, м—-трехпроходная ЭШС.

Переход от однопроходной к двух - или трехпроходной ЭШС позволяет обеспечить эффект термического воздействия и нор­мализацию металла шва и зоны термического влияния, обра­зованных при предыдущем проходе, и за счет этого сущест­венно - повысить ударную вязкость электрошлаковых сварных соединений.

На рис. 7.2 проведена пунктирная линия, соответствующая стали А(20К), у которой значение тп = 27 с. Как видно из рис. 7.2, при толщине проката этой стали до 36 мм рекоменду­ется применять АДС с ПСО, при толщине 36—45 мм — ЭШС с ПСО, при толщине от 45 до 200 мм— двухпроходную ЭШС с ПСО, а при толщине более 200 мм — трехпроходную ЭШС.

Разработанный пакет программ позволяет решать задачу выбора рациональной технологии сварки в диалоговом режиме с помощью ЭВМ.