книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

сварного соединения и увеличивается износ электродов контактных машин. При точечной и шовной сварке возможно образование выплесков и подплавление поверх­ ности. Способ очистки зависит от размеров заготовок, характера загрязнений и типа производства. Для точечной и шовной сварки холоднокатаную сталь можно только обезжиривать. Ржавчину, а также слой окалины на горячекатаной стали удаляют травлением в растворах кислот с последующей нейтрализацией щелочным раствором и промывкой водой или подвергают пескоструйной обработке, предва­ рительной очистке наждачными кругами, металлическими щетками и др. Мелкие детали в условиях массового производства очищают в галтовочных барабанах. Торцы заготовок для стыковой сварки обрабатывают до получения поверхности, перпендикулярной к оси заготовок, а после термической резки зачищают от шлака. Под точечную и шовную сварку заготовки собирают в сборочно-сварочных при­ способлениях или на выполненных точечной сваркой прихватках с шагом 50—80 мм.

Точечной и шовной сваркой сваривают металл толщиной 0,05—6 мм; основ­ ной тип соединения — нахлесточное. Режим точечной и шовной сварки выбирают в зависимости от свойств и толщины металла и особенностей имеющегося обору­ дования. Режимы, приведенные в табл. 25—28, являются ориентировочными и подлежат корректировке в конкретных условиях.

25. Размеры точечных и шовных соединений, мм

Для сварки сталей толщиной до 4 мм используют универсальные серийные машины. При сварке низкоуглеродистых сталей толщиной до 2 мм переменный ток промышленной частоты протекает непрерывно в виде одного импульса, а давление, приложенное к электродам, остается постоянным на протяжении всего процесса. При большей толщине, кроме основного, дается дополнительный импульс или используется цикл с одним импульсом и переменным усилием давления (проковкой). При сварке низколегированных сталей, кроме указанных циклов, возможны и другие (с постоянным давлением при толщине до 2 мм с одним модулированным импульсом, а при большей толщине с двумя дополнительными импульсами). Различие режимов точечной и шовной сварки низкоуглеродистых и низколегиро­ ванных сталей незначительно: для последних требуется несколько увеличенное давление. Для низколегированных сталей некоторых марок может потребоваться подогрев перед сваркой и после нее. Это достигается подбором соответствующего цикла изменения и включения тока. Шовную сварку низкоуглеродистых и низко­ легированных сталей осуществляют при постоянной скорости сварки, постоянном давлении и прерывистом включении тока.

Стыковая сварка сопротивлением (табл. 29) из-за неравномерности нагрева и окисления металла на торцах заготовок обеспечивает пониженное качество соеди­ нения, и поэтому ее применяют ограниченно (для деталей с площадью сечения до 250 мм2). Лучшие результаты достигаются при сварке оплавлением. Предупреж­ дение возможности образования в соединении закалочных структур достигается при сварке оплавлением с подогревом. Этот же способ применяют при сварке дета­ лей ç брльшои площадью сечения (до 1000 мм2 непрерывным рплавленирм и дета-

31.Припуски (мм) при стыковой сварке оплавлением стержней из низкоуглеродистых

инизколегированных конструкционных сталей (На оба стержни)

греву и закаливаемости повышается, что снижает свариваемость/Марганец, крем* ний, сера, фосфор, кислород, водород и азот попадают в металл в процессе про­ изводства. Из них активными раскислителями являются марганец и кремний. Сера образует низкотемпературную эвтектику Fe—FeS по границам зерен, что приводит к красноломкости при ковке и прокатке и к горячим трещинам прн сварке. Фосфор, растворяясь в феррите, резко снижает пластичность стали и повы­ шает хладноломкость.. Содержание серы и фосфора в сталях для сварных изделий не должно превышать 0,035—0,040%.

Кислород, образуя оксидные включения, охрупчивает сталь. Азот, образуя нитриды, также способствует охрупчиванию стали. Азот и кислород при сварке способствуют образованию пористости. Содержание их не должно превышать предела растворимости в данной стали. Водород при высоком содержании вызы­ вает образование внутренних надрывов — флокенов. При охлаждении стали ниже 200° С водород выделяется из твердого раствора и создает внутренние напря­ жения, приводящие к появлению трещин. Содержание газов в металлах снижается при выплавке и разливке в вакууме.

Механические свойства некоторых углеродистых качественных конструкцион­ ных сталей приведены в табл. 2.

К конструкционным легированным будем относить стали, легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5—10%, предназначенные для работы при температурах до 500° С.

Для современных легированных сталей характерно многокомпонентное комп­ лексное легирование. Оно более экономично и позволяет получить стали с более высокими механическими свойствами. Механические свойства после упрочняю­ щей термической обработки (закалки + отпуска) некоторых конструкционных

Широкое применение легированных сталей в конструкциях связано с их высокой прочностью при сохранении достаточной пластичности и вязкости. Сред­ нелегированные стали, применяемые для сварных конструкций, в основном отно­ сятся к перлитному классу. Однако некоторые стали этой группы, содержащие 5—6% легирующих элёментов и более, относятся к мартенситному классу (30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА и др.). Высокие механические свойства конструкционных легированных сталей достигаются легированием элементами, упрочняющими феррит и повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термической обработкой, после которой проявляется положительное влияние легирующих элементов. Поэтому стали данной группы характеризуются как хими-

чееннм составом, так и видом термической обработки. Стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, подвергают улучшению (закалке с последую­ щим отпуском). При высоких прочностных свойствах легированные стали после соответствующей термической обработки по пластичности и вязкости не уступают, а в некоторых случаях даже превосходят такой пластичный материал, как низкоуглеродистая сталь.

Высокие прочностные и пластические свойства легированных сталей сочета­ ются с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и опреде­ ляет их использование для конструкций, работающих в тяжелых условиях, напри­ мер при ударных и знакопеременных нагрузках, прй низких или высоких темпе­ ратурах и давлениях, в агрессивных средах и пр. Конструкционные легированные стали широко используют для создания облегченных сварных высокопрочных конструкций. Однако не все конструкционные легированные стали хорошо или удовлетворительно свариваются. Чем в большей степени легирована сталь эле­ ментами (включая углерод), способствующими образованию хрупкой структуры мартенсита при термическом цикле сварки, Тем хуже свариваемость дайной стали при прочих равных условиях (метод выплавки, тип соединения, толщина свари­ ваемой детали и т. п.). Например, стали 38Х2МЮА, Э0ХН2МФА, 18Х2Н4МА, 38ХНЭМФА и им подобные для сварных конструкций применять не рекомен­ дуется,

Для конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей характерной особенностью является образование закалочных структур в шве и зоне термического влияния, создающих опасность хрупкого разрушения. Поэтому для получения надежных сварных соединений при изготовлении изделий из ста­ лей этой группы необходимо выбирать марку стали не только исходя из показа­ телей прочности основного металла, но и с учетом возможности получения необ­ ходимых стабильных механических свойств сварных соединений в условиях про­ изводства данного конкретного изделия и полной реализации этих свойств при работе конструкции.

В некоторых случаях разрушения происходят вследствие концентрации напряжений, появления значительных по величине остаточных сварочных напря­ жений и снижения пластичности металла. Эти факторы проявляются сильнее в результате конструктивных недостатков, неправильного выбора материалов для сварных изделий, способов сварки и технологий.

Надежность и долговечность сварных соединений должны являться основными

и главными критериями при выборе марки стали и способов изготовления свар­ ных изделий. В ряде случаев оказывается более целесообразным выбор менее

прочной стали, с меньшим содержанием углерода, но более технологичной Нрй сварке. Содержание углерода более 0,30% способствует склонности сталей к пере­

греву И закалке, образованию горячих и холодных трещин в сварном соединении

и пор в металле шва. Для предупреждения этих явлений необходимы усложняющие технологический процессоперации подогрева при сварке и термообработки после

сварки.

При изготовлении ответственных сварных изделий из закаливающихся сталей в Технологическом Процессе должны быть предусмотрены Меры, предупреждаю­ щие опасность хрупких разрушений: 1) применение основного металла с регламен­ тированным составом И свойствами, в частности спокойной и дополнительно рас­ кисленной стали, низколегированных сталей вакуумно-дугового и электрошлакового переплава и др.; 2) применение методов сварки, обеспечивающих высокие механические свойства металла шва (дуговая сварка покрытыми электродами, под флюсом, в защитных газах и др.); 3) применение методов контроля, ограничиваю­ щих наличие в сварных швах различных дефектов; 4) правильное конструктивное оформление элементов сварных конструкций (исключение резких переходов от одного сечения к другому, исключение скопления швов, вызывающих объемные сварочные напряжения и повышающих жесткость изделия, Предпочтительное применение стыковых швов и др.); 5) повышение требований к качеству сборки (минимальные зазоры и смещения, недопустимость натягов при сборке и др.)}

6) применение термической обработки, обеспечивающей заданные механические свойства сварных соединений и снимающей остаточные напряжения от сварки; 7) индустриализация методов производства сварных конструкций, позволяющая обеспечить более высокое и стабильное качество сварочных работ в целом.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Свариваемость конструкционных углеродистых и легированных сталей можно определить как способность стали переносить тепловой режим при том или ином сварочном процессе без образования в соединении участков металла с понижен­ ными пластическими свойствами, способствующими возникновению трещин при сварке конструкций или разрушению сварных соединений в эксплуатации. Рас­ сматриваемая группа материалов относится к закаливающимся сталям, в сварных соединениях которых под действием термического цикла сварки могут образовы­ ваться хрупкие и малопластичные зоны в участках, где металл нагревается до темтератур выше точки Ас3. Распад аустенита при охлаждении в условиях сварочного термического цикла начинается при более низких температурах и в некоторых случаях полностью не заканчивается даже при остывании до 20° С; при этом в струк­ туре металла наряду с мартенситом остается нестабильный остаточный аустенит (в зависимости от уровня легирования).

Стали, склонные к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита при повышенной концент­ рации водорода, при воздействии внутренних напряжений чувствительны к обра­ зованию холодных трещин. Наиболее часто холодные трещины образуются в швах и околошовной зоне среднеуглеродистых и легированных сталей перлитного и мар­ тенситного классов, свариваемых проволокой, состав которой близок к составу основного металла. Холодные (закалочные) трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250° С и ниже), так и после полного остыва­ ния сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24—48 ч). Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мар­ тенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает.

Элементы, снижающие температуру у М превращения, усиливают склон­ ность металла к образованию холодных закалочных трещин. К таким элементам прежде всего относится углерод. В среднелегированных сталях температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др. О свариваемости применительно к ее чувствитель­ ности к закаливаемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных легирующих элементов:

с, =с% -Ь^о/о+ Щ-%+ ^%+-^г%+-^-%+-§-°/о+у%.

>

Стали с эквивалентом по углероду более 0,45 склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменения стали в сварной конструкции. При одном и том же показателе Сэ стали с большим содер­ жанием углерода имеют более высокую чувствительность к холодным трещинам, чем сложнолегированные стали с меньшим содержанием углерода. Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения является наиболее неприятным, так как качество изделия теряется после его контроля. Замедленное разрушение связано с фиксированием нестабиль­ ного остаточного аустенита в структуре мартенсита при быстром остывании участ­ ков сварных соединений, нагревающихся при сварке выше точки Асг. Остаточный аустенит с течением времени распадается при 20° С. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0° С.

При сварочном цикле создаются благоприятные условия для образования остаточного аустенита вследствие повышенной гомогенизации твердого у-раствора при нагреве до высоких температур и высокой скорости охлаждения. Так, в стали ЗОХГСА [4] после термического цикла, имитирующего сварочный, содержится до 17% остаточного аустенита, тогда как после обычной закалки с 900° С это содер­ жание равно 8%. Кроме того, объемные напряжения сжатия, возникающие в шве и прилегающей зоне основного металла при образовании мартенсита, затормажи­ вают процесс мартенситного превращения и могут способствовать сохранению еще большего количества остаточного аустенита, чем это наблюдается на свободных образцах, равномерно нагреваемых по всему объему. При распаде остаточного аустенита с увеличением объема образуется хрупкая структура неотпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сва­ рочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увели­ чения микрообъемов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она более хрупка, и образование трещин более вероятно.

Когда сварной шов накладывается в условиях жесткого закрепления свариваемых деталей, в шве после остывания развиваются высокие растяги­ вающие напряжения от реакции заделки. Суммарное воздействие растягивающих сварочных напряжений I рода и структурных напряжений, возникающих в ре­ зультате распада остаточного^ аустенита при 20° С, в критических случаях при­ водит к появлению трещин с течением времени. Этот эффект усугубляется нали­ чием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включе­ ниями, резкими переходами в проплаве и т. д. Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворенный в металле; он затормаживает распад аустенита и снижает точку мартенситного превращения стали. Избыточный водород, растворенный в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создает местные внутренние давления [6], облегчающие возможность образования микротрещин. ^^О бразование хрупкой структуры мартенсита является необходимым, но не всегда достаточным фактором для реального появления трещины. Необходимо наличие и других факторов — растягивающих напряжений, остаточного аусте­ нита и избыточного водорода. Многие конструкции свариваются и надежно эксплуа­ тируются (особенно из низкоуглеродистых легированных сталей) при наличии структуры мартенсита в сварном соединении, если устранены концентраторы напряжений в хрупкой зоне или созданы благоприятные условия в сварном сое­ динении, снижающие чувствительность конструкций к концентрациям напряже­ ний (применены аустенитные присадки, обеспечивающие аустенитную структуру шва с высокой пластичностью, или поверхностная обработка путем наклепа).

Образование холодных трещин при сварке закаливающихся сталей умень­ шается: 1) при выборе способа и технологии сварки, обеспечивающих отсутствие грубодендритной закалочной структуры литого металла шва, минимальном пере­ греве зоны термического влияния и минимальных дополнительных растягивающих напряжениях при остывании шва за счет реакций связей; 2) при сварке с приме­ нением подогрева, уменьшающего вероятность образования закалочных структур; 3) при снижении содержания водорода в сварном соединении; 4) при отпуске после сварки.

Применение специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульс­ ного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбор оптималь­ ных режимов сварки позволяют обеспечить более равноосную зернистую струк­ туру металла шва и предупредить чрезмерное развитие зоны перегрева основного металла с крупнокристаллической структурой.

Метод сварки влияет на склонность сварных соединений к образованию холод­ ных замедленных трещин. Для среднелегированных сталей методы сварки по возрастанию сопротивляемости сварных швов к образованию холодных трещин

можно расположить в следующем порядке: автоматическая сварка под кислыми флюсами (АН-348-А и др.), ручная дуговая сварка электродами типа УОНИ-13 (УОНИ-13/45; УОНИ-13/85), сварка в С02, аргонодуговая сварка.

Обеспечение при сварке изделий свободной усадки сварных соединений с помо­ щью рациональной конструкции, порядка наложения сварных швов, применения приспособлений, создающих сжимающие напряжения в сварном соедиг ении при остывании, позволяют снизить реактивные растягивающие напряжения в свар­ ных соединениях. Например, при вварке фланцев (рис. 1, а) хороший эффект обеспечивает предварительный выгиб кромок листа для компенсации усадки (рис. 1,6), замена вварки плоским кольцевым швом сваркой по отбортовке (рис. 1,в). запрещение применения сварки угловыми швами (рис. 1, г). Предварительный или сопутствующий подогрев с целью предупреждения образования закалочных струк­ тур следует производить лишь в крайних случаях и для деталей с небольшим про­ тяжением сварных швов, так как поддержание с достаточной точностью заданное

Рис. 1. Типы сварных соединений штуцеров

температуры подогрева по всей длине шва р, течение всего процесса сварки является трудно осуществимым, а условия работы сварщика становятся весьма тяжелыми; все это делает технологический процесс нестабильным. Подогрев осуществляют газовыми горелками и с помощью ТВЧ посредством индукторов. Температуру в пределах 100—500° С контролируют цветными термокарандашами.

Снижение содержания водорода в металле шва для предупреждения холод­ ных трещин обеспечивается применением осушенных защитных газов, низководо­ родистых электродов (основного типа), прокаливанием их и флюсов перед сваркой. При газоэлектрических методах сварки (сварка в С02, в аргоне и др.) влажность газов необходимо контролировать. Следует применять сухие газы с точкой росы не выше — 50° С, так как влажные газы резко повышает склонность сварных швов к образованию холодных трещин [9, 15]. При ручной дуговой сварке сталей с пре­ делом текучести 70 и 100 кгс/мм2 содержание влаги в покрытии не должно превы­ шать соответственно 0,2 и 0,1% [15].

Эквивалентное содержание углерода влияет на критическое содержание водо­ рода в металле конструкционных легированных сталей (рис. 2). Чем выше содер­ жание углерода и других элементов, понижающих температуру мартенситного превращения, тем при меньшем содержании водорода образуются трещины.

J 1/Ч)тпуск сварных конструкций снимает остаточные сварочные напряжения, "■"улучшает структуру и свойства металла шва, снижает твердость закаленных зон сварного соединения и устраняет опасность образования холодных трещин со вре- k менемДПерерыв между началом сварки и термической обработкой устанавливают различный (от 30 мин до нескольких часов) в зависимости от марки стали и склон­ ности ее сварных соединений к замедленному разрушению. В тех случаях, когда