ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

В сварочной ванне расплавленные основной и, если используют, дополнительный металлы перемешиваются. По мере перемещения источника теплоты вслед за ним перемещается и сварочная ванна. В результате потерь теплоты на излучение, теплоотвод в изделие, а при электрошлаковой сварке — ив формирующие ползуны в хвостовой части ванны происходит понижение температуры рас­плавленного металла, который, затвердевая, образует сварной шов. Форма и объем сварочной ванны зависят от способа сварки и основных параметров режима. Ее объем может составлять от миллиметров до сотеы кубических сантиметров.

1? результате этого изменяются и усло - MIUI затвердевания (кристаллизации) ме­талла сварочной ванны, которые также зависят от условий теплоотвода, т. е. от толщины свариваемого металла, тина свар­ного соединения, способа сварки, наличия шлака на поверхности сварочной ванны и т. д. Таким образом, названные выше условия определяют и неодинаковое вре­мя существования в расплавленном со­стоянии металла в различных участках сварочной вашты.

Кристаллизация металла сварочной ванны у границы с нерасштавившимся основным металлом (границы сплавления) протекает очень быстро. Но мере удаления от нее к центру ванны длитель­ность пребывания металла в расплавленном состоянии увеличи­вается. Переход металла из жидкого в твердое состояние — первичная кристаллизация на границе сплавления начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавлен­ного металла (рис. 108) в виде дендритов, растущих в направле­нии, обратном теплоотводу, т. е. в глубь сварочной ванны. Таким образом, возникают общие зерна. При многослойной сварке, когда кристаллизация начинается от частично оплавленных зерен предыдущего шва, возможно прорастание кристаллов из слоя в слой — образуется транскрксталлитная структура.

В различные этапы кристаллизации металла сварочной ванны и роста дендритов состав кристаллизующего жидкого металла не одинаков. Первые порции металла менее загрязнены приме­сями, чем последние. В результате образуется зональная и виут- ридендритная химическая неоднородность металла. Неоднород­ность химического состава в различных участках одного дендрита, когда его поверхностные слои более загрязнены примесями — внутридендритная ликвация, имеет преимущественное разви­тие в сварном шве. Ликвация в сварном шве зависит от его химического состава, формы сварочной ванны и скорости кри­сталлизации. Способ сварки оказывает существенное влияние на развитие ликвации.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны имеет прерывистый характер, вызванный выделением перед фронтом кристаллизации скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к характерному слоистому строению шва и появлению ликвации в виде слоистой неоднородности, которая в наибольшей степени проявляется вблизи границы сплавления. Слоистая ликвация также зависит от характеру и скорости кристаллизации металла сварочной ванны. Слоистая и дендритная ликвации уменьшаются при улучшении условий диффузии ликвирующих элементов в твер­дом металле.

Образовавшиеся в затвердевшем металле шва в результате первичной кристаллизации столбчатые кристаллиты имеют аусте - питную микроструктуру (диаграмма состояния системы Fe—С сплавов на рис. 109, справа). При дальпейшем охлаждении металла, при температуре аллотропического превращения Ас3 начинается процесс перестройки атомов пространственной решетки — пере­кристаллизация. Б результате перекристаллизации происходит распад части аустенита и превращение его в феррит. Так как раст­воримость углерода в феррите меньше, чем в аустените, выделяю­щийся углерод вступает в химическое соединение с железом, образуя цементит.

Дальнейшее охлаждение стали ниже температуры превращения Асг приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цемен­тита — перлита. Вторичная кристаллизация сопровождается зна­чительным увеличением числа зерен, так как в пределах первич­ного зерна аустенита образуется несколько зерен перлита и фер­рита. Это благоприятно влияет на механические свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода количество перлита возрастает. Одновременно может наблюдаться и рост величины зерен. Количество и строение перлитной фазы зависит также от скорости охлаждения металла шва.

4 феррит* * перлит

I

4

0,9 1,7%С

Рпс. 109. Строение зоны тер­мического влияния сварно­го шва при дуговой сварке пизкоуглеродпстой и низко­легированной сталей

При некоторых условиях может образоваться видманштеттова структура, характеризующаяся выделением феррита из аустенита не только но границам зерен, но и по кристаллографическим плоско - сгям отдельных кристаллитов. Видманштеттова структура в свар­ных соединениях не желательна, так как снижает их механические свойства. Металл шва при комнатной температуре и обычных для сварки скоростях охлаждения в области температур перекри­сталлизации имеет ферритно-перлитную или сорбитообразную структуру.

Теплота, выделяемая при сварке, распространяется вследствие теплопроводности в основной металл. Этот процесс характеризуется термическим циклом. В каждой точке околошовной зоны темпе­ратура вначале нарастает, достигая максимума, а затем снижается. Чем ближе точка расположения к границе сплавления, тем быст­рее происходит нагрев металла в данном участке и тем выше максимальная температура, достигаемая в нем. При значительном удалении от шва нагрев основного металла практически не проис­ходит.

Таким образом, различные участки основного металла харак­теризуются различными максимальными температурами и раз­личными скоростями нагрева и охлаждения, т. е. подвергаются своеобразной термообработке. Поэтому структура и свойства основ­ного металла в различных участках сварного соединения различны. Вону основного металла, в которой под воздействием термичес­кого цикла при сварке произошли фазовые и структурные изме­нения, называют зоной термического влияния. Характер этих превращений и протяженность зоны термического влияния зави­сят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т. и.

На рис. 109 слева показаны поперечное сечение стыкового свар­ного соединения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределения температур по поверхности свар­ного соединения в момент, когда металл шва находится в расплав­ленном состоянии, и структуры различных участков зоны терми­ческого влияния шва после сварки, образованные в результате действия термического цикла сварки. Эта схема — условная, так как кривая распределения температур по поверхности сварного соединения во время охлаждения меняет свой характер.

На участке неполного расплавления объемы металла нагре­вались в интервале температур между солидусом и ликвидусом, что приводило к частичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами запол­нено жидкими прослойками, связанными с металлом сварочной ванны. Поэтому в него могли проникать и элементы, вводимые в металл сварочной ванны. В результате состав металла на этом участке может отличаться от состава основного металла, а за счет лерасплавившихся зерен основного металла — и от состава ме­талла шва.

Слоистая ликвация способствует увеличению химической неоднородности металла на этом участке по сравнению с металлом шва. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является местом сварки. Его протяжен­ность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обычно не превышает 0,5 мм, но свойства металла в нем могут оказывать решающее влияние на свойства всего сварного соеди­нения.

На участке перегрева металл нагревался в интервале температур от 1100—1150°С до липии солидуса. Металл, нагревавшийся выше температуры Ас3, полностью переходит в состояние аустенита, при этом происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем больше, чем выше температура металла. Даже непродолжи­тельное пребывание металла при температурах свыше 1100° С приводит к значительному увеличению размера зерен. Крупно­зернистая структура металла на этом участке перегрева после охлаждения может привести к образованию неблагоприятной видманштеттовой структуры. Металл, нагретый незначительно выше температур Ас3, имеет мелкозернистую структуру с высо­кими механическими свойствами. Этот участок называется учас­тком нормализации (перекристаллизации). На участке неполной перекристаллизации металл нагревался до температуры между А1 и Ас3. Поэтому он характеризуется почти неизменным ферри - тным зерном и некоторым измельчением и сфероидизацией пер­литных участков.

Металл, нагревавшийся в интервале температур 500—550° С до Асг (участок рекристаллизации), по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сра­щивание раздробленных зерен основного металла — рекристал­лизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться вследствие разупрочнения ввиду снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале температур 100—500° С (участок старения) его структура в процессе сварки не претер­певает видимых изменений. Однако в некоторых сталях, содер­жащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипя­щих), их нагрев при температурах 150—350° С сопровождается резким снижением ударной вязкости и сопротивляемости разру­шению.

Многослойная сварка ввиду многократного воздействия тер­мического цикла сварки на основной металл в околошовной зоне изменяет строение и структуру зоны термического влияния. При сварке длинными участками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвергается своеобразному отпуску.

I’iic. 110. Строение ме - і. иїла шва при электро­шлаковой сварке

При сварке короткими участками шов и околошовная зона дли­тельное время находятся в нагретом состоянии. Помимо изме­нения структур, это увеличивает и протяженность зоны терми­ческого влияния. Последующие слои термически воздействуют на ранее наплавленные швы, имеющие структуру литого металла, и создают в них зону термического влияния, строение и структура которой значительно отличаются от зоны термического влияния в основном металле, подвергавшемся прокатке. Эта зона на участ­ке перегрева обычно не имеет крупного зерна и характеризуется мелкозернистыми структурами с повышенными пластическими свойствами.

Структура металла швов при электрошлаковой сварке может характеризоваться наличием трех зон (рис. 110, а): зона 1 круп­ных столбчатых кристаллов, которые растут в направлении, обрат­ном отводу теплоты; зона 2 тонких столбчатых кристаллов с мень­шей величиной зерна и несколько большим их отклонением в сто­рону теплового центра; зона 3 равноосных кристаллов, распола­гающаяся посередине шва. В зависимости от способа электро­шлаковой сварки, химического состава металла шва и режима сварки может быть получено различное строение швов. Повы­шение содержания в шве углерода и марганца увеличивает, а уменьшение интенсивности теплоотвода уменьшает ширину зоны 1.

Направленность кристаллизации зависит от коэффициента формы шва. При его увеличении за счет уменьшения скорости подачи электродной проволоки (рис. 110, б) происходит отклоне­ние роста кристаллов в сторону теплового центра сварочной ванны. Подобные швы имеют повышенную стойкость против кристал­лизационных трещин. Медленное охлаждение швов при электро­шлаковой сварке в интервале температур фазовых превращений способствует тому, что их структура характеризуется грубым ферритно-перлитным строением с утолщенной оторочкой феррита по границам кристаллов.

Термический цикл околошовной зоны при электрошлаковой сварке характеризуется длительным ее нагревом и выдержкой при температурах перегрева и медленным охлаждением. Поэтому

в ней могут образовываться грубые видманштеттовы структуры, которые по мере удаления от линии сплавления сменяются нор­мализованной мелкозернистой структурой. Б зоне перегрева может наблюдаться падение ударной вязкости, что устраняется последующей термообработкой (нормализация с отпуском). Тер­мический цикл электрошлаковой сварки, способствуя распаду аустенита в области перлитного и промежуточного превращений, благоприятен при сварке низколегированных сталей, так как способствует подавлению образования закалочных структур.

Основным фактором, определяющим после окончания сварки конечную структуру металла в отдельных участках зоны терми­ческого влияния, является термический цикл, которому под­вергался металл этого участка при сварке. Решающими факто­рами термического цикла сварки являются максимальная тем­пература, достигаемая металлом в рассматриваемом объеме, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура раз­личных участков зоны термического влияния определяются спо­собом и режимом сварки, составом и толщиной основного металла. Общая протяженность зоны термического влияния может дости­гать 30 мм. При более концентрированных источниках теплоты протяженность зоны меньше.

Рассмотренное разделение зоны термического влияния — при­ближенно. При переходе от одного структурного участка к дру­гому имеются промежуточные структуры. Кроме того, диаграмму железо — углерод мы рассматривали статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В действительности температура в точках зоны термического влияния изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.

Повышение прочности низколегированных сталей достигается легированием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элемен­тов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и дейст­вует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне термического влияния на участке, где металл нагревался выше температур Aclt при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалочные струк­туры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Ас3, будет иметь более грубозернистую структуру.

При сварке термически упрочненных сталей на участках рекристаллизации и старения может произойти отпуск металла с образованием структуры сорбита отпуска и понижением проч­ностных свойств металла. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусмат­ривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших трещин. При сварке термически упрочненных сталей следует принимать меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска.

Рассматриваемые стали обладают хорошей свариваемостью. Тех­нология их сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основные из которых — обеспечение надежности и долговечности конструкций (особенно из термически упрочняе­мых сталей, обычно используемых при изготовлении ответст­венных конструкций). Важное требование при сварке рассмат­риваемых сталей — обеспечение равпопрочности сварного соеди­нения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела соответствующих свойств основного металла.

В некоторых случаях конкретпые условия работы конструк­ций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако во всех случаях, особенно при сварке ответственных конструкции, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соеди­нение должно быть стойким против перехода в хрупкое состоя­ние. Иногда к сварному соединению предъявляют дополнительные требования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пониженных температурах и т. д.). Технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим сос­тавом, режимом сварки, предыдущей и последующей термооб­работкой. Химический состав металла шва при сварке рассмат­риваемых сталей незначительно отличается от состава основного металла (табл. 47). Это различие сводится к снижению содержа­
ния в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вы­званное уменьшением содержания в нем углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем, кремнием, а при сварке низколегированных сталей — также и за счет перехода этих элементов из основного металла.

Таким образом, химический состав металла шва зависит от доли участия основного и дополнительного металлов в образова­нии металла шва и взаимодействий между металлом, шлаком и газовой фазой. Повышенные скорости охлаждения металла шва также способствуют Повышению его прочности (рис. I'll), од­нако при этом снижаются его пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлитной фазы. Критическая температура перехода металла однослойного шва в хрупкое состояние практически не зависит от скорости охлаждения. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией свар­ного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия.

Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляет­ся при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предварительно сваренные швы. Металл много­слойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприят­ную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низ­кой критической температурой перехода в хрупкое состояние.

Рис. 112. Влияние скорости охлажде­ния при температуре 550° С на меха­нические свойства сталей:

1 — ВСтЗС; 2 — 1ЭГ; 3 — 14Г2

Пластическая деформация, возникающая в металле шва под воз­действием сварочных напряжений, также повышает предел теку­чести металла шва.

Обеспечение равнопрочности металла шва при дуговых спосо­бах сварки низкоуглеродистых и низколегированных нетермо - упрочнепных сталей обычно не вызывает затруднений. Механи­ческие свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида термообработки стали перед сваркой.

При сварке низкоуглеродистых горячекатаных (в состоянии поставки) сталей при толщине металла до 15 мм па обычных режи­мах, обеспечивающих небольшие скорости охлаждения, струк­туры металла шва и околошовной зоны примерно такие, как было рассмотрено выше (рис. 109). Повышение скоростей охлаждения при сварке па форсированных режимах металла повышенной толщины, однопроходных угловых швов, при отрицательных температурах и т. д. может привести к появлению в металле шва и околошовной зоны закалочных структур на участках перегрева и полной и неполной рекристаллизации.

Как видно из данных табл. 48 и рис. 112, скорость охлаждения для низкоуглеродистых сталей оказывает большое влияние на их механические свойства. При повышении содержания марганца это влияние усиливается. Поэтому даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки ВСтЗ при указанных выше усло­виях не исключена возможность получения в сварном соединении закалочных структур. Если сталь перед сваркой прошла терми­ческое упрочнение — закалку, то в зоне термического влияния шва на участках рекристаллизации и старения будет наблюдаться отпуск металла, т. е. снижение его прочностных свойств. Уровень
изменения этих свойств зависит от погонной энергии, типа свар­ного соединения п условий сварки.

При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и околошовной зоны проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению (см. рис. 109) закалочных структур на участках перегрева и нормализации. Уровень изменения механических свойств металла больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термообработка низко­легированных сталей, наиболее часто — закалка (термоупроч­нение) с целью повышения их прочностных показателей при сохранении высокой пластичности (табл. 48) усложняет техно­логию сварки.

На участках рекристаллизации и старения происходит разуп­рочнение стали под действием высокого отпуска с образованием

структур преимущест­венно троостита или сорбита отпуска. Это разупрочнение тем боль­ше, чем выше была прочность основного ме­талла, полученная по­сле тормообработки. При температурах выше Ас3 разупрочнение обус­ловлено совместно про­текающими процессами высокого отпуска и фа­зовой перекристаллизации. В этих процессах решающее значение имеют скорость охлаждения металла шва (рис. 112) и в первую очередь погонная энергия при сварке (табл. 49).

Таким образом, при сварке низколегированных сталей (осо­бенно термоуирочненных) получение равнопрочного сварного соединения вызывает некоторые трудности и поэтому требует применения определенных технических приемов (сварка короткими участками нетермоупрочпепных сталей и длинными термоупроч­ненных и др.). Протяженность участков зоны термического влия­ния, где произошло заметное изменение свойств основного металла под действием термического цикла сварки (разупрочнение или закалка), зависит от способа и режима сварки, состава и толщины металла, конструкции сварного соединения др.

Повышение погонной энергии сварки (рис. 113) сопровождается расширением разупрочненной зоны и снижением твердости металла в ней. Это вызвано увеличением объема металла, подвергавшегося высокому сварочному нагреву, и замедлением темпа охлаждения. Кроме того, повышение погонной энергии уменьшает скорость охлаждения в субкритическом интервале температур, что умень­шает количество неравновесных структур (снижает твердость) в прилегающих к шву участках перегрева и полной нерскристал-

ми скоростями, приведшими к образованию на некото­рых участках неравновесных структур закалочного харак­тера (угловые однослойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), при­водит к снижению прочност­ных и повышению пластиче­ских свойств металла в этих участках (табл. 48 и 50).

При сварке короткими участками по горячим предва­рительно наложенным швам

1 — исходное горячекатаное состояние; 2 — после 10%-пой деформации растяжением при 250° С; 3 — то же и последующего отпуска при 650° С

замедленная скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термообработки в этом случае сказывается незначительно. При электрошлаковой сварке, когда скорость остывания металла шва околошовной зоны сопоставима со скоростями охлажде­ния при термообработке, последующая термообработка мало изменяет механические свойства металла рассматриваемых зон. Однако нормализация приводит к резкому возрастанию удар­ной вязкости.

Швы, своренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против обра­зования кристаллизационных^ трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Однако для низкоуглеродистых ста­лей, содержащих углерод по верхнему пределу (свыше 0,20%), при сварке угловых швов и первого корневого шва в многослой­ных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образова­ние кристаллизационных трещин, что связано в основном с не­благоприятной формой провара (узкая глубокая форма провара с коэффициентом формы 0,8—1,2). Легирующие добавки в низ­колегированных сталях могут повышать вероятность образования кристаллизационных трещин.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются практически всеми способами сварки плавле­нием.

('парные соединения для фиксации входящих в них деталей омюсительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в сборочных приспособлениях или при помощи прихваток. Длина прихваток зависит от толщины и изме­няется в пределах 20—120 мм при расстоянии между ними 500— 80(1 мм. Сечение прихваток равно примерно 1/я сечения шва, но не более 25—30 мм2. Прихватки выполняют обычно покрытыми плектродами или полуавтоматами в углекислом газе. Их реко­мендуется накладывать со стороны, обратной наложению основного однопроходного шва или первого слоя в многопроходных швах. При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как и них могут образовываться трещины ввиду высокой скорости теплоотвода. Поэтому перед сваркой прихватки тщательно зачи­щают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее выру­бают или удаляют другим способом.

При электрошлаковой сварке детали, как правило, устанав­ливают с зазором, расширяющимся к концу шва. Взаимное поло­жение деталей фиксируют скобами, установленными па расстоя­нии 500—1000 мм друг от друга и удаляемыми по мере наложения шва. При автоматических способах дуговой сварки и электрошла­ковой сварке в начале и конце шва устанавливают входные и выходные планки для обеспечения сварки начала шва с устано­вившимся термическим циклом (требуемыми размерами шва) и вывода кратера с основного шва.

Сварку стыковых швов вручную или полуавтоматами в за­щитных газах и порошковыми проволоками обычно выполняют на весу. При автоматической сварке предусматривают примене­ние приемов, обеспечивающих предупреждение прожогов и ка­чественный провар корня шва. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений.

Дуговую сварку ответственных конструкций лучше проводить с двух сторон. Более благоприятные результаты получаются при многослойной сварке. В этом случае, особенно на толстом металле, достигаются более благоприятные структуры в металле шва и околошовной зоне. Однако выбор способа заполнения разделки при многослойной сварке зависит от толщины металла и термо - опработки стали перед сваркой. При появлении в швах дефектов (пор, трещин, непроваров, подрезов и т. д.) металл в месте дефек­та удаляется механическим путем, газопламенной, воздушно-ду­говой или плазменной строжкой и после зачистки подваривается.

Гледует помнить, что при сварке низколегированных сталей выбор техники и режима сварки влияет на форму провара, долю участия основного металла в формировании шва, а также на его состав и свойства.

В зависимости от назначения конструкций и типа стали элек­троды можно выбирать согласно табл. 51. Режим сварки выбирают в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и пространственного положения сварки.

При сварке корневых швов в разделке на металле толщиной 10 мм и более используют электроды диаметром 3—4 мм. Реко­мендуемые для данной марки электрода значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспорту электрода, в котором обычно приведены и его сварочно-технологические свой­ства, типичный химический состав шва и механические свойства. Рядовые и ответственные конструкции из иизкоуглеродистых ста­лей сваривают электродами типа Э42 и Э46 (табл. 51 и 52).

При сварке этих сталей обычно обеспечиваются достаточно высокие механические свойства сварного соединения и поэтому в большинстве случаев не требуются специальные меры, направ­ленные на предотвращение образования в нем закалочных струк­тур. Однако при сварке угловых швов на толстом металле и пер­вого слоя многослойного шва для повышения стойкости металла против кристаллизационных трещин может потребоваться пред­варительный подогрев до температуры 120—150° С.

Для сварки рядовых конструкций из низколегированных ста­лей обычно применяют электроды типа Э42А, а ответственных — типа Э50А. Это обеспечивает получение металла швов с достаточной стойкостью против кристаллизационных трещин и требуемыми прочностными и пластическими свойствами. Легирование металла шва за счет провара основного металла легирующими элементами, входящими в основной металл, и повышенные скорости охлаж­дения позволяют получить металл шва с более высокими, чем при сварке низкоуглеродистых сталей, прочностными показателями.

Техника заполнения швов и определяемый ею термический цикл сварки зависят от предварительной термообработки стали. Сварка толстого металла каскадом и горкой, замедляя скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны, предупреждает образование в пих закалочных структур. Это же достигается при предварительном подогреве до температуры 150—200 ЭС. Поэтому эти способы дают благоприятные результаты на нетермоупрочнен - ных сталях. При сварке термоупрочнеппых сталей для уменьше­ния разупрочнения стали в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам.

Следует выбирать режимы сварки с малой погонной энергией. При этом достигается и уменьшение протяженности зоны разу - прочненного металла в околошовной зоне. При исправлении де­фектов в сварных швах низколегированных и низкоуглеродистых сталей повышенной толщины швами малого сечения вследствие значительной скорости охлаждения металл подварочного шва и его околошовной зоны обладает пониженными пластическими свойствами. Поэтому дефектные участки следует подваривать шва­ми нормального сечения длиной не менее 100 мм или предвари­тельно подогревать до температуры 150—200 °С.

Сварка под флюсом

Автоматическую сварку обычно выполняют электродной проволо­кой диаметром 3—5 мм, полуавтоматическую проволокой диа­метром 1,2—2 мм. Равнопрочность соединения достигается за

счет подбора соответствующих составов флюсов и электродных проволок и выбора режимов и техники сварки. При сварке ипа коуглеродистых сталей в большинстве случаев применяют флюсы марок АН-348-А и ОСЦ-45 и низкоуглеродистые электродные проволоки марок Св-08 и Се 08А. При сварке ответственных кон струкций, а также ржавого металла рекомендуется использован, электродную проволоку марки Св-08ГА.

Использование указанных материалов позволяет получить металл шва с механическими свойствами, равными или превышаю­щими свойства основного металла. При сварке низколегированных сталей используют те же флюсы и электродные проволоки марок Св-08ГА, Св-ЮГА и Св-'10Г2. Легирование металла шва марганцем за счет проволок и кремнием за счет провара основного металла при подборе соответствующего термического цикла (погонной энергии) позволяет получить металл шва с требуемыми механи­ческими свойствами. Использованием указанных материалов до­стигается высокая стойкость металла швов против образования пор и кристаллизационных трещин.

В конструкциях из иизкоуглеродистых и низколегированных сталей наряду со сваркой с разделкой кромок широко приме­няется сварка стыковых швов и швов без разделки кромок. Уве­личение доли основного металла в металле шва, характерное для этого случая, и некоторое увеличение содержания в нем углерода могут повысить прочностные свойства и понизить пластические свойства металла шва.

Технология сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей отличается незначительно. Режимы сварки зависят от конструкции соединения, типа шва и техники сварки (табл. 53). Свойства металла околошовной зоны зависят от термического цикла сварки. При сварке угловых однослойных швов и стыковых и угловых швов на толстолистовой стали типа ВСтЗ па режимах с малой погонной энергией в околошовной зоне возможно образо­вание закалочных структур с пониженной пластичностью. Пре­дупредить это можно увеличением сечения швов или применением двухдуговой сварки.

Для низколегированных термоупрочпепных сталей с целью предупреждения разупрочнения шва в зоне термического влияния следует использовать режимы с малой погонной энергией, а для 11 ете рмоупрочненных — наоборот, с повышенной. Для обеспече­ния пластических свойств металла шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла, во втором случае следует выбирать режимы, обеспечивающие получение швов повышен­ного сечения, применять двухдуговую сварку или проводить пред­варительный подогрев металла до температуры 150—200 °С.

В зависимости от условий сварки и охлаждения свойства сварных соединений на низкоуглеродистых и низколегированных сталях изменяются в широких пределах.

Сварка в защитных газах

При сварке пизкоуглеродистых и низколегированных сталей для защиты расплавленного электродного металла и металла сва­рочной ванны широко используют углекислый газ. В последние годы в качестве защитных газов находят применение смеси угле­кислого газа с кислородом (до 30%) и аргоном (до 50%). Добавки кислорода, увеличивая окисляющее действие газовой среды на расплавленный металл, позволяют уменьшать концентрацию леги­рующих элементов в металле шва. Это иногда необходимо при сварке низколегированных сталей. Кроме того, несколько умень­шается разбрызгивание расплавленного металла, повышается его жидкотекучесть. Связывая водород, кислород уменьшает его влияние на образование пор.

Добавки в углекислый газ аргона (иногда в эту смесь вводят кислород) изменяют технологические свойства дуги (глубину проплавления и форму шва, стабильность дуги и др.) и поз­воляют регулировать концентрацию легирующих элементов в ме­талле шва.

Аргон и гелий в «чистом» виде в качестве защитных газов на­ходят ограниченное применение — только при сварке конструкций ответственного назначения.

Сварку в углекислом газе и его смесях выполняют плавящимся электродом. В некоторых случаях для сварки в углекислом газе используют неплавяіцийся угольный или графитовый электрод.

а А. И. Акулой к др.

Однако этот способ находит ограниченное применение, например при сварке бортовых соединений низкоуглеродистых сталей тол щиной 0,3—2 мм (канистр, корпусов конденсаторов и т. д.). 'Гни как сварка выполняется без присадки, содержание кремнии и марганца в металле шва невелико. В результате прочность сооди нения обычно составляет 50—70% прочности основного металла.

При автоматической и полуавтоматической сварке плани щимся электродом швов, расположенных в различных прострли ственных положениях, обычно используют электродную проио локу диаметром до 1,2 мм; при сварке в нижнем положении — диаметром 1,2—3,0 мм. Для сварки низкоуглеродистых и низко легированных сталей используют легированные электродные про волоки марок Св-08ГС и Св-08Г2С. Проволоку марки 12ГС можно использовать для сварки низколегированных сталей 14X141, 10ХСНД и 15ХСНД и спокойных низкоуглеродистых сталей марок ВСт1 и ВСт2. Однако с целью предупреждения значительного повышения содержания углерода в верхних слоях многопроход ных швов эту проволоку обычно применяют для сварки одно-трех* слойных швов.

Повышение коррозионной стойкости швов в морской воде ДО стигается использованием электродной проволоки марки Св-08ХГ2С. Структура и свойства металла шва и околошовной зоны на иизкоуглеродистых и низколегированных сталях зависят от марки использованной электродной проволоки, состава и свойств основного металла и режима сварки (термического цикла сварки, доли участия основного металла в формировании шва и формы шва). Влияние этих условий сварки и технологические рекомендации примерно такие же, как и при ручной дуговой свирке и сварке под флюсом.

На свойства металла шва значительное влияние оказывает качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а также влаги в швах могут образоваться поры. Сварка и углекислом газе менее чувствительна к отрицательному влия­нию ржавчины. Увеличение напряжения дуги, повышая угар легирующих элементов, приводит к снижению механических свойств шва. Некоторые рекомендации по режимам сварки приве­дены в табл. 54.

Сварка на повышенных силах тока приводит к получению металла швов с пониженными показателями пластичности и ударной вязкости, что вероятно объясняется повышенными ско­ростями охлаждения. Свойства металла шва, выполненного на обычных режимах, соответствуют свойствам металла шва, выпол­ненного электродами типа Э50А. В промышленности находит применение и сварка в углекислом газе порошковыми проволо­ками. Технология этого способа сварки и свойства сварных сое­динений примерно те же, что и при использовании их при сварке без дополнительной защиты.

( парка порошковой проволокой и проволокой сплошного сечения без дополнительной зашиты

('.парка открытой дугой порошковой проволокой является одним из перспективных способов. В настоящее время в промышленности находят применение порошковые проволоки марок ПГТ1ДСК, 1І1І-2ДСК, ПП-АНЗ, ПП-АН4 и ЭПС-15/2. Использование про­волоки ПП-1ДСК при сварке угловых и стыковых швов с зазором между кромками может привести к получению в швах пор. Про­волока Э11С-15/2 для получения швов без пор требует соблюдения режимов в узком диапазоне. Большие рабочие токи ограничивают применение этой проволоки для сварки металла малых толщин. Проволоки ПП-АН7 и ПП-2ДСК имеют хорошие сварочно-тех­нологические свойства в широком диапазоне режимов (табл. 55).

Приведенные в табл. 56 данные показывают, что механические свойства металла швов при сварке порошковыми проволоками находятся примерно на уровне свойств соединений, выполненных электродами типа Э50А по ГОСТ 9467—75. Для сварки ответ­ственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегирован­ных сталей можно рекомендовать проволоки ПП-2ДСК и ПП-АН4, обеспечивающие хорошие показатели хладноломкости швов.

Начинает применяться способ сварки электродными проволо­ками без специальной защиты. Для сварки низкоуглеродистых сталей этим способом используют проволоки марок Св-15ГСТЮЦА и Св-20ГСТЮА. Технологические свойства дуги при сварке этим способом несколько хуже. Поверхность швов покрыта толстой пленкой окислов, плотно сцепленных с поверхностью. Механи­ческие свойства металла швов находятся на уровне свойств шва, выполненного электродом типа Э50.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковую сварку широко применяют при изготовлении конструкций из толстолистовых низкоуглеродистых и низколе­гированных сталей. При этом равиопрочность сварного соедине­ния достигается за счет легирования металла шва через электрод­ную проволоку и перехода элементов из расплавляемого металла кромок основного металла. Последующая термообработка, по­мимо снижения остаточных напряжении, благоприятно влияет и па структуру и свойства сварных соединений.

При электрошлаковой сварке рассматриваемых сталей исполь­зуют флюсы АН-8, АН-8М, ФЦ-1, ФЦ-7 и АН-22. Выбор электрод­ной проволоки зависит от состава стали. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с содержанием до 0,15% С хороших результатов достигают при использовании проволок марок Св-08А и Св-08ГА. Для предупреждения образования газовых полостей и пузырей при сварке кипящих сталей, содержащих мало крем­ния, рекомендуется электродная проволока Св-08ГС с 0,6—0,85%

Si. При сварке сталей марок ВСтЗ и некоторых марок низколеги­рованных сталей удовлетворительные результаты получают при ис­пользовании электродных проволок марок Св-08ГА, Св-10Г2 и < ІК-08ГС, а стали 10ХСНД — и Св-08ХГ2СМА (табл. 57, а также см. табл. 47 и 50).

Таблица 57. Ориентировочные режимы электрошлаковой сварки низкоуглеродистых сталей