Сварка конструкций с дополнительной порошкообразной присадкой

Влияние дополнительного порошкообразного присадочного металла на качество сварных соединений

Метод сварки с дополнительным порошкообразным присадочным металлом характеризуется меньшим удельным тепловложением по сравнению с обычными методами сварки, что приводит к улучшению тер­мической цикла сварки. В результате улучшаются структура металла сварного соединения, условия кри­сталлизации, и в итоге улучшаются механические свойства. Механические свойства зависят от хими­ческого состава и структуры металла. Химический состав металла шва можно регулировать путем из­менения химического состава порошкообразного при­садочного металла и изменения доли основного металла. Во ВНИИмонтажспецстрое изучали механи­ческие свойства металла шва на сталях 16Г2АФ и 14Х2ГМР с различными сочетаниями электродной проволоки и порошкообразного металла при сварке стыковых соединений. При использовании электродной проволоки Св-10НМА с увеличением количества по­рошкообразного металла из проволоки этой же марки повышается предел прочности, а относительное удли­нение уменьшается, что объясняется уменьшением доли основного металла в металле шва. С увеличе­нием количества порошкообразного металла из проволоки Св-08Г2С и Св-08ГА предел прочности уменьшается. Необходимый предел прочности можно получить, сочетая рациональное количество порошко­образного металла определенного химического состава с электродными проволоками, применение которых

при обычной сварке не обеспечивает нормативного значения предела прочности. Применение порошко­образного металла позволяет получать необходимый предел прочности при максимальной пластичности металла шва (табл. 4), что способствует также повы­шению сопротивляемости металла шва, образованию трещин. С увеличением количества порошкообразного присадочного металла повышается сопротивляемость образованию горячих трещин, что является резуль­татом благоприятных тепловых процессов, условий кристаллизации и деформаций кристаллизующегося металла. Тепловой баланс дуги изменяется за счет уменьшения доли тепла на плавление основного металла и увеличение доли тепла на плавление при­садочного металла. В свою очередь, это снижает скорость охлаждения металла шва, затормаживает деформации, улучшает схему кристаллизации, умень­шает количество вредных примесей за счет уменьшения доли основного металла в металле шва. В конечном итоге повышается пластичность металла шва.

Сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке с дополнительным порошкообразным при­садочным металлом можно рассмотреть на примерах сварки сталей 16Г2АФ и 4Х2ГМР. Оказывается, что изменение фазовых составляющих в связи с уменьше­нием скорости охлаждения при температуре наимень­шей устойчивости аустенита, а также уменьшение деформаций позволяют обеспечить показатель сопро­тивляемости трещинам в 1,4—1,6 раза выше, чем при обычной сварке! При обычной сварке стали толщиной свыше 25 мм с целью предупреждения появления трещин сваривают с подогревом. Однако при сварке с порошкообразным присадочным металлом без предварительного подогрева сопротивляемость образованию холодных трещин выше, чем при обычной сварке с предварительным подогревом. Следовательно, применение порошкообразного присадочного металла создает большой запас технологической прочности конструкций.

Следует отметить очень важную особенность сварки с порошкообразным присадочным металлом — порошкообразный металл, выполняя функцию подкла­дочного материала, способствует хорошему формиро­ванию корня шва без образования шлаковых вклю-

4. Механические свойства металла шва, выполненного обычной сваркой под флюсом и с применением порошкообразного присадочного металла

чений и других характерных дефектов. Это дает возможность пересмотреть требования к’разделке кро­мок стыковых соединений и значительно уменьшить угол разделки или совсем отказаться от разделки кромок. Наиболее эффективно применение порошко­образного присадочного металла при сварке стыковых соединений элементов толщиной 20—50 мм, где про­изводительность возрастает в 2—3 раза по сравнению с обычной сваркой.

Кроме того, при сварке с порошкообразным присадочным металлом увеличивается объем сварочной ванны. Это уменьшает скорость охлаждения расплав­ленного металла и снижает скорость деформаций. Уменьшение удельного тепловложения, доли тепла на плавление основного металла и увеличение массы при­садочного металла благоприятно сказываются на сва­рочных деформациях. При сварке толстолистовых конструкций уменьшение суммарного тепловложения в 2 раза и уменьшение относительной глубины про­плавления приводят к снижению угловой деформации в плоскости, перпендикулярной шву, в 2,3 раза и к снижению суммарной поперечной деформации в 2,7 ряза по сравнению с обычной сваркой.

Повышенная чувствительность обычной сварки к прожогам является сдерживающим фактором интен­сификации процесса сварки за счет форсирова­ния ее режима. При сварке с порошкообразным присадочным металлом удается избежать этого явле­ния там, где прожоги неизбежны при обычной сварке. Недопущение прожогов стало возможным благодаря более низкой температуре металла свароч­ной ванны в различных ее точках, уменьшению глубины проплавления и увеличению количества наплавлен­ного металла. Применение порошкообразного приса­дочного металла открывает широкие возможности по­вышения качества сварных изделий и производитель­ности приварке под флюсом.

Очень^Ьажным преимуществом сварки с дополни­тельным порошкообразным присадочным металлом яв­ляется меньшая чувствительность к зазорам по сравнению с обычной сваркой. При сварке стыковых соединений на флюсовой подушке с порошкообразным присадочным металлом допустимые зазоры в 2—2,5 ра­за превышают этот показатель по сравнению с обычной

Рис. 10. Допустимый зазор при сварке металла различ­ной толщины из низкоугле­родистой стали без прожогов

/ — сварка с присадочным метал­лом; 2 — то же без присадочного металла

ТОЛЩИНА МЕТАЛЛА. ММ

сваркой. На рис. 10 приведены кривые, характери­зующие допустимый зазор при сварке без прожогов. Таким образом, можно сказать, что сварка с порошко­образным присадочным металлом малочувствительна к изменениям режима сварки, зазоров, толщины руч­ной подварки (прожоги, как правило, образуются при сварке первого прохода под флюсом по ручной подварке вследствие колебания толщины слоя под­варки), что обусловливает значительное расширение технологических возможностей традиционной сварки под флюсом.

Процесс кристаллизации металла сварочной ванны оказывает большое влияние на прочность сварного соединения, структуру и свойства металла шва. На прочность сварного соединения наибольшее влияние оказывают размеры первичных кристаллитов. Горя­чие трещины в основном располагаются в зоне сты­ковки кристаллитов, т. е. по их границам или по оси шва. Образование горячих трещин зачастую удается предотвратить посредством изменения схемы кристал­лизации металла сварочной ванны. При сварке с по­рошкообразным присадочным металлом уменьшение Доли тепла на плавление основного металла и увели­чение доли тепла на плавление присадочного ме­талла приводят к изменению формы фронта кристал­лизации и пространственной микроструктуры металла шва, ориентировки кристаллитов, создавая более бла­гоприятную схему кристаллизации по сравнению с обычной сваркой, и уменьшая возможность обра­
зования горячих трещин. Наибольшее влияние на изменение схемы кристаллизации оказывает зазор между свариваемыми кромками. При обычной сварке при увеличении зазора происходит постепенное из­менение схемы кристаллизации, что неизбежно при­водит к образованию горячей трещины в той части поперечного сечения шва, где кристаллиты стыку­ются под углом 90° к оси шва. При традиционной сварке под флюсом трещина появляется уже при зазоре в 3 мм, а при сварке с порошкообразным приса­дочным металлом — в 12 мм. На практике не всегда удается обеспечить постоянство предусмотренного технологией зазора, поэтому при обычной сварке изделий даже из низкоуглеродистой стали при изме­нениях зазора появляется большая вероятность обра­зования горячих трещин, а сварка с порошкообразным присадочным металлом позволяет предупредить появ­ление этого дефекта.

На первый взгляд кажется, что при сварке с дополнительным порошкообразным присадочным ме­таллом вероятность образования пор больше, чем при обычной сварке, так как порошкообразный металл является дополнительным носителем окислов и влаги. Однако в этом случае начинают действовать поло­жительные факторы, нейтрализующие дополнительные окислы и влагу: увеличение объема и времени пре­бывания металла сварочной ванны в жидком со­стоянии, улучшение схемы кристаллизации, снижение скорости охлаждения металла сварочной ванны, уменьшение глубины сварочной ванны. Поэтому при сварке с порошкообразным металлом металлургические процессы не претерпевают сколько-нибудь заметных изменений и при использовании присадочного металла в виде крупки из сварочной проволоки диаметром 0,8—2 мм поры в металле шва практически не по­являются. Однако с уменьшением размера частиц присадки ниже 0,5 мм и особенно при сварке низкоуглеродистых сталей склонность к порообразо­ванию в металле шва возрастает.

Сварка с порошкообразным присадочным металлом оказывает благоприятное влияние на формирование шва и особенно при его подаче на вылет электрода. Увеличение количества порошкообразного металла приводит при наплавке на листовой металл к увеличе-

«-Ї.

£ х.

Ю

СЧ с£> —

а.

в

сч

нию ширины и высоты шва при уменьшении глубины проплавления, а поступление порошкообразной при­садки в сварочную ванну, минуя дугу, захолаживает ее. В итоге указанные факторы приводят к улучшению формирования сварного шва.

Улучшение свойств сварных соединений наблюда­ется также при электрошлаковой сварке с порошко­образным присадочным металлом. Это, как и при авто­матизированной сварке под флюсом, происходит из-за более благоприятных условий кристаллизации и луч­шего термического цикла. В этом случае резко сокра­щаются скорость и длительность нагрева металла до температуры плавления, время пребывания металла при повышенных температурах и скорость-охлаждения. Например, для сварного соединения толщиной 40 мм длительность нагрева сокращается в $5 раза, ско­рость нагрева в интервале температур 700—1000 °С повышается в 2,5 раза, время пребывания металла околошовной зоны при высоких температурах в период нагрева уменьшается в 11,5 раза, а в период охлаж­дения— 1,5 раза. Длительность пребывания металла при температурах выше температуры усиленного роста зерна сокращается в 4 раза, а скорость охлаждения увеличивается вдвое. Все это приводит к улучшению механических свойств сварных соединений, выполнен­ных с порошкообразным присадочным металлом (табл. 5) электродной проволокой Св-ЮНМЛ и флю­сом АН-8.

Таким образом, метод сварки с дополнительным порошкообразным присадочным металлом позволяет не только повысить производительность труда за счет увеличения коэффициента наплавки на существующих режимах и возможности сварки на повышенных зна­чениях сварочного тока без нарушения формирования шва, но и существенно улучшить качество сварного соединения.