Сварка конструкций с дополнительной порошкообразной присадкой

Сварка высокопрочных сталей с дополнительным порошкообразным присадочным металлом

Применение высокопрочных сталей (600—900 МПа) при изготовлении сварных конструкций позволяет по­лучить значительную экономию металла благодаря облегчению веса конструкций, увеличить их несущую способность и долговечность, изготавливать конструк­ции для эксплуатации в условиях Крайнего Севера. Упрочнение стали достигается за счет легирования ее

специальными добавками, термической обработки и создания субмикроскопических включений нитридов циркония, алюминия, титана и ванадия. В нашей стране высокопрочные строительные стали разделяются на три класса: С 60/45, С70/60 и С 85/75 (числитель показывает предел прочности, знаменатель — предел текучести). В табл. 27 приведены данные, характери­зующие механические свойства высокопрочных строи­тельных сталей.

Имея указанные выше преимущества, высокопроч­ные стали обладают одним существенным недостат­ком — особенностью сварки, требующей применения трудоемкой специальной технологии, снижающей про­изводительность труда по сравнению со сваркой обычных сталей. Прежде всего это относится к зна­чительному изменению структуры и механических свойств под воздействием термического цикла сварки. На параметры термического цикла оказывает влияние погонная энергия сварки, теплофизические свойства металла и характер теплоотвода. Для получения однородного по структуре и механическим свойствам сварного соединения из высокопрочной стали необхо­димо регулировать скорость охлаждения за счет выбора оптимального значения погонной энергии или приме­нения сопутствующего охлаждения. На производстве иногда для получения оптимальной скорости охлаж­дения применяют предварительный подогрев сваривае­мых кромок. Серьезным недостатком высокопрочных сталей является низкая сопротивляемость сварных

соединений из этих сталей образованию горячих и холодных трещин. С появлением горячих трещин можно бороться, применяя предварительный подогрев свариваемых кромок, обеспечивая благоприятную форму сварочной ванны, а также путем создания рациональных сварных конструкций и выбора металла оптимального химического состава. По способам борьбы с холоднымштрещинами высокопрочные стали условно делят на две группы. В первой группе, куда входят стали класса С 60/45, образование холодных трещин можно предотвратить путем измене­ния погонной энергии, что обеспечивает положитель­ные структурные изменения, препятствующие образо­ванию холодных трещин. Во второй группе (стали класса С 70/60) предотвращение образования холод­ных трещин обеспечивается предварительным подогре­вом зоны сварки до 150—200 °С. Следовательно,

при сварке высокопрочных сталей для получения качественных сварных соединений необходимо приме­нять режимы сварки, обеспечивающие погонную энер­гию в сочетании с предварительным подогревом. Та­кая технология по сравнению со сваркой обычных сталей увеличивает трудоемкость сварочных работ при низкой производительности. Например, при изготовле­нии ферм, колонн сплошных и решетчатых, балок

подкрановых, резервуаров доля трудоемкости свароч­ных работ составляет 33—43% всей трудоемкости из­делий. Применение сварки с дополнительным порошко­образным присадочным металлом позволяет повысить производительность сварочных работ и качество свар­ных соединений при упрощении технологии сварки. Для обеспечения оптимальной скорости охлаждения стыковые соединения при обычной сварке высоко­прочных сталей должны выполняться в два и более проходов, т. е. с более низкой производительностью. При сварке с порошкообразным присадочным метал­лом можно в широких пределах регулировать терми­

ческий цикл за счет изменения погонной энергии, повышая при этом механические свойства сварных сое­динений. Изменение погонной энергии сварки в необхо­димом направлении позволяет также отказаться от предварительного подогрева свариваемых кромок, который применяется для регулирования термического Цикла при обычной сварке высокопрочных сталей.

Значительно повышается технологическая прочность сварных соединений из высокопрочных сталей при сварке с порошкообразным присадочным металлом. Данные, полученные во ВНИИмонтажспецетрое по количественной методике МГТУ им. Н. Э. Баумана, свидетельствуют, что сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин при сварке с порошко­образным присадочным металлом высокопрочных ста­лей значительно выше, чем при традиционной сварке, а возможность регулирования погонной энергии в ши­роких пределах и улучшение структуры металла около- шовной зоны приводят к повышению сопротивляемости образованию холодных трещин. Повышение технологи­ческой прочности конструкций из высокопрочных сталей при сварке с порошкообразным присадочным металлом позволило отказаться от предварительного подогрева. Во ВНИИмонтажспецетрое разработана методика вы­бора режимов сварки с порошкообразным присадоч­ным металлом высокопрочных сталей.

Применение порошкообразного присадочного ме­талла при сварке высокопрочных сталей позволяет регулировать химический состав и механические свой­ства металла сварного шва. Показательно, что не­обходимый предел прочности может быть получен при использовании порошкообразного металла из электродных проволок, применение которых при обыч­ной сварке не обеспечивает нормативного значения предела прочности. Применение порошкообразного присадочного металла позволяет получить металл свар­ного шва с необходимым пределом прочности при максимальной пластичности и повышением сопротив­ляемости образованию трещин. При этом ударная вязкость также повышается.

Технология сварки высокопрочных сталей без предварительного подогрева была использована при сварке оболочки шарового резервуара из стали 16Г2АФ со следующими механическими свойствами: предел прочности 600 МПа, предел текучести 450 МПа; относительное удлинение 20%; ударная вязкость 40 Дж/см-’ при — 40 °С и 30 Дж/см*’ при — 70 °С. Технология сварки предусматривает двухстороннюю ручную сварку корневых швов с последующей ав­томатизированной сваркой под флюсом с порошко­образным присадочным металлом. Для ручной сварки

использовали электроды УОНИ-13/45 диаметром 3 и 4 мм, а для автоматизированной — электродную про­волоку Св-08НМА диаметром 5 мм, крупку из сва­рочной проволоки Св-08Г2С диаметром 1,2 мм и флюс АН-348А. Лепестки оболочки укрупняли в двухлспест - ковые блоки, которые затем собирались в четырех­лепестковые блоки. После этого на специальной пло­щадке производили сборку двух полусфер, каждая из которых состоит из двух четырехлепестковых блоков. На специальном манипуляторе из двух полу­сфер собиралась оболочка резервуара, которая для начала автоматизированной сварки поворачивалась таким образом, чтобы плоскость свариваемого стыка была перпендикулярна оси вращения. С наружной и внутренней стороны сварка оболочки резервуара вы­полнялась без предварительного подогрева на одном и хом же режиме (табл. 28). Сварочная ванна всегда находилась в нижнем положении, что обеспечивалось расположением сварочного автомата в верхнрй точке шара благодаря его перемещению по оболочке со скоростью, равной скорости вращения манипуля­тора.

Автоматизированная сварка под флюсом с по­рошкообразным присадочным металлом без предвари­тельного подогрева была применена на монтаже ша­гающего экскаватора, где были сварены ковши и башмаки экскаватора из высокопрочной стали 14Х2ГМР, имевшие односторонние сварные соединения толщиной 36 мм у ковшов и 50 мм у башмаков с V-образной разделкой. Автоматизированная сварка

выполнялась проволокой Св-08ХГН2МЮ под флюсом АН-17М с порошкообразным присадочным металлом из проволоки Св-08Г2С за несколько проходов с пода­чей между слоями порошкообразного присадочного металла из проволоки Св-08А. Сварные соединения толщиной 36 мм были выполнены за три прохода, толщиной 50 мм — за 12 проходов (при сварке без порошкообразного присадочного металла соответ­ственно за 8 и 32 прохода). Режим сварки: сварочный ток 800—850 А, напряжение на дуге 44—45 В, скорость сварки 0,0054 м/с, количество порошкообраз­ного присадочного металла р = 0,8.

При обычной сварке хромоникельмолибденомед­нистой стали ОХ23Н28МЗДЗТ возникают большие трудности из-за повышенной склонности металла свар­ного соединения к образованию горячих трещин. Применение порошкообразного присадочного металла позволяет изменять коэффициент формы шва, повышая стойкость металла шва к образованию трещин: уменьшать напряжения и деформации; характер кристаллизации металла сварочной ванны, регулируя долю содержания основного металла в металле шва. Быда разработана технология сварки изделий из ука­занной стали с Х-образной разделкой кромок с по­рошкообразным присадочным металлом из проволоки ЭП-516 диаметром 2 мм (расход р = 1 —1,3) электрод­ной проволокой диаметром 4 мм и вылетом 35 мм. Применение этой технологии позволяет получать изде­лия из хромоникельмолибденомеднистой стали толщи­ной 20—40 мм с качественными сварными соеди­нениями. В табл. 29 приведены режимы сварки и па­раметры разделки кромок.

Применение порошкообразного присадочного ме­талла позволяет упростить технологию, повысить про­изводительность сварки, обеспечивая при этом необхо­димое качество при изготовлении изделий из двух­слойной стали (биметалла). Двухслойная сталь состоит из основного металла, как правило это углеродистая сталь, обеспечивающего прочность конструкции, и пла­кирующего слоя, создающего коррозионную стойкость. При сварке изделий из этой стали возникают до­полнительные трудности, отсутствующие при сварке однослойных сталей. Процесс смешения в сварочной ванне основного и плакирующего металлов приводит к механической, структурной и химической неоднород­ности, что препятствует получению металла шва, равноценного свариваемому металлу. Кроме того, различие свойств основного и плакирующего металлов вызывает трудности при разработке технологии сварки из-за различия сварочных материалов, технологических приемов и часто методов сварки, применяемых для основного и облицовочных слоев. Для сварки двух­слойной стали была разработана специальная техно­логия, предусматривающая применение порошкообраз­ного присадочного металла. Так, для сварки основного металла двухслойной стали ВСтЗсп + 12X181110Т ре­комендуется сварочная проволока марки Св-08ГА и флюс АН-348 в сочетании с порошкообразным присадочным металлом из проволоки Св-08ГА или Св-08Г2С диаметром 2 мм и высотой гранулы 1,5—2 мм. Для сварки плакирующего слоя применяют цроьолоку ЭП-389 с флюсом АН-26 и порошкообразным присадочным металлом из проволоки ЭП-87 такой же грануляции, как и при сварке основного металла. При сварке стыковых соединений с толщиной металла 8 — 16 мм скос кромок не производится, а при толщи­нах 18—32 мм применяется V - или Х-образная разделка кромок. В первом случае порошкообразная присадка вводится только при сварке плакирующего металла, а во втором — и при сварке основного. Порошкообразный металл засыпается в разделку перед сваркой. Химический анализ металла шва пла­кирующего слоя показывает, что сварка с дополни­тельным порошкообразным присадочным металлом позволяет сохранить постоянный химический состав металла шва до поверхности основного слоя, а макро-

Рис. 60. Схема сварного соеди­нения, полученного с примене­нием порошковой проволоки с высоколегированным наполните­лем

I основной металл; 2 плакирующий слой; 3 — порошковая проволока; 4 — сварочный флюс; Fм — площадь наплав­ленного металла; Fпр I — площадь про­плавления основного металла; Fnp2— площадь проплавления плакирующего слои

структура металла шва показывает хорошее качество шва — плотный, с плавным переходом к основному металлу.

Заслуживает внимания другой способ использова­ния порошкообразного присадочного металла при сварке плакирующего слоя двухслойного металла — это дуговая сварка под флюсом порошковой проволокой с легирующим наполнителем. Этот способ сварки можно с успехом применять на строительно-монтажной пло­щадке вместо ручной сварки, повышая в 3—5 раз производительность труда. Оболочка порошковой про­волоки изготавливается из низкоуглеродистой ленты, внутрь которой вводится высоколегированный порош­кообразный присадочный металл. Состав высоколеги­рованного наполнителя зависит от химического состава свариваемого плакирующего слоя биметалла. На рис. 60 представлена с, ома сварного соединения, полученного при сварке порошковой проволокой с высоколегиро­ванным порошкообразным присадочным металлом. При высокой производительности (по сравнению с обычной электродной проволокой коэффициент наплавки воз­растает до 70%) этот способ сварки позволяет полу­
чить наплавленный металл стабильный по химическому составу и структуре за счет постоянства соотношения масс низкоуглеродистой оболочки и высоколегирован­ного порошкообразного присадочного металла и незна­чительной глубины провара. В табл. 30 приведены значения коэффициента наплавки порошковой прово­локи с высоколегированным порошкообразным приса­дочным металлом в зависимости от силы сварочного тока.

Описанный способ был применен при сварке в мон­тажных условиях варочных котлов в целлюлозно-бу­мажной промышленности и регенерационных цистерн в нефтехимической промышленности, изготовленных из двухслойного металла 22 К + 08Х17Н15МЗТ и 16ГС + 10X17H13M3T с толщиной плакирующего слоя 4—5 мм. Порошковая проволока диаметром 3—3,2 мм использовалась с наполнителем Х59Н29М8Т4 и флю­сом АН-26. Сварка плакирующего слоя выполнена за один проход на режиме: сварочный ток 300 —500 А, напряжение на дуге 38—48 F., скорость подачи про­волоки 0,03—0,06 м/с, вылет проволоки 35—40 мм.