Технология No18

Лабораторная работа № 18 ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ

1. Цель работы

Изучить технологические приемы при восстановлении стальных деталей сваркой покрытыми электродами, влияние режимов и погонной энергии на долю основного металла в металле шва и его размеры.

2. Общие сведения и указания по работе

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По назначению различают стали конструкционные г содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. В углеродистых конструкционных сталях углерод является основным элементом, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества и качественные.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующие обозначения: кп

— кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная. Кипящая сталь, содержащая кремния не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержит кремния не менее 0,12 %. Сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на нагрев при сварке.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1—5 выплавляют с нормальным и повышенным содержанием марганца (примерно до 1 %). В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 1060—74. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду 0,03—0,04 %. Стали с содержанием углерода до 0,2 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп), остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовления конструкций применяют в горячекатанном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском. Углеродистые

содержанием углерода 0,25—0,6 % и высокоуглеродистые с содержанием углерода более

0,6 %.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I

— хорошо сваривающиеся, с содержанием углерода до 0,25 %; II — удовлетворительно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения

качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строго соблюдать режимы сварки, нужны специальные присадочные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных соединений которых дополнительно необходим подогрев, предварительная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающиеся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, сварные швы из которых склонны к образованию трещин (стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций).

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по влиянию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных элементов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.

Предупредить образование горячих трещин можно путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости закреплений, предварительного подогрева, применения электродного металла с более низким содержанием углерода и кремния.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупрочненных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных трещин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное количество марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлаждения).

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стержни длиной 300—450

устойчивое горение дуги, равномерное плавление металла и стабильный перенос его в сварочную ванну;

достаточную защиту расплавленного электродного металла и металла сварочной ванны от воздуха:

получение металла шва требуемого химического состава и механических свойств; хорошее формирование шва, минимальные потери на угар и разбрызгивание; возможно более высокую производительность процесса сварки (наплавки); хорошую отделимость и легкую удаляемость шлака с поверхности шва;

достаточную стойкость покрытий против механических повреждений (их осыпание или откалывание при относительно легких ударах, а также в процессе нагрева электрода при сварке) и недопустимость резкого ухудшения свойств в процессе хранения;

минимальную токсичность газов, выделяющихся при сварке, соблюдение санитарногигиенических норм.

Указанные требования обеспечиваются соответствующим подбором материалов электродного покрытия. Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повышения технологичности процесса сварки и наплавки, а также введения легирующих элементов в состав наплавленного металла. Для дуговой сварки и наплавки покрытыми электродами используют электродные покрытия: ильменитное, содержащее более 30 % ильменита (FеО x ТiO2); органическое — с содержанием 20—30 % целлюлозы; карбонатно-рутиловое; основное или фтористокальциевое: высокорутиловое с содержанием до 35 % ТiO2; руднокислое, содержащее окислы железа и марганца в виде руд; покрытие системы железный порошок — рутил с высоким содержанием первого компонента; порошковое основное, содержащее железный порошок; покрытие системы железный порошок — оксид железа; специальные покрытия, содержащие, в частности, графит. В странах СНГ широко применяются органическое, карбонатнорутилевое, рудно-кислое и основное покрытия электродов. Например, стандартом установлено 44 типа электродов с основным покрытием, в состав которого входят шлакообразующие компоненты в виде плавикового шпата, карбонатов кальция и магния; раскислители — марганец, кремний, титан, алюминий в виде соответствующих ферросплавов или металлических порошков; связующие — натриевое или ннтриево-калиевое жидкое стекло.

И процессе нагрева и плавления основного покрытия происходит диссоциация карбоната кальция:

В воздухе при парциальном давлении углекислого газа менее 300 Па диссоциация СаСО3 начинается при температуре около 780 К. Углекислый газ является активным «исцелителем жидкого металла. Окисление может протекать но двум схемам:

Раскислители Si, Мn, Тi в составе покрытия взаимодействуют с СО2, восстанавливая его

Углекислый газ, не прореагировавший с раскислителями, диссоциирует в

Таким образом, газовая фаза электродов с основным покрытием является окислительной. При плавлении фтористо-кальциевого покрытия шлаки связывают продукты реакций ТiO2, SiO2 и др., очищая металл. В результате в наплавленном слое содержится не более 0,03—0,05 % кислорода.

Тип электрода характеризует свойства наплавленного металла. Для конструкционных сталей — это механические свойства, для легированных сталей со специальными свойствами (теплоустойчивых, коррозионно-стойких, жаропрочных) — химический состав. Обозначение типа электрода содержит букву Э, после которой проставляется временное сопротивление на разрыв в (кг/мм2). После значения в может проставляться буква А, что означает улучшенные пластические характеристики металла шва. Например, Э 42А означает, что

металл, наплавленный этими электродами, имеет прочность 42 кг/мм2 (420 МПа) и улучшенные пластические свойства. Для сварки высокопрочных сталей тип электрода может быть Э 100.

Для сварки сталей со специальными свойствами тип электрода имеет следующий вид: Э 09Х2М — наплавленный металл содержит 0,09 % углерода, 2 % хрома и 1 % молибдена; Э 10Х25Н13Г2Б — наплавленный металл имеет следующий химический состав: 0,1% С; 25% Сг; 13% Ni; 2% Мn; 1% Nb.

Обозначение типа электрода регламентируется ГОСТ 9467—75 и ГОСТ 10052—75. Некоторые марки электродов для сварки конструкционных сталей, соответствующие

им типы покрытия и типы электродов приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

Типы и марки электродов, обеспечивающих соответствующий химический состав наплавленного металла, для сварки высоколегированных и теплоустойчивых сталей приведены в табл. 18.2.

Таблица 18.2

Характеристика некоторых марок электродов для сварки теплоустойчивых и высоколегированных сталей

Обозначение электродов проставляется на упаковочной наклейке, а также в сопроводительной документации на электроды. Структура условного обозначения представляет собой дробь, в числителе и знаменателе которой указываются отдельные характеристики электродов:

легированных конструкционных сталей; Т — легированных теплоустойчивых сталей; В

—высоколегированных сталей; Н — для наплавки;

мощности дуги, вследствие чего увеличиваются скорость плавления электрода, глубина проплавления, выпуклость и ширина валика. В результате этого доля основного металла в металле шва повышается.

Для определения доли основного металла в металле шва необходимо знать площадь сечения наплавленного валика Fн и плошадь проплавления основного металла Fпр, которые с некоторой погрешностью могут быть определены по формулам

Повышение напряжения на дуге приводит к уменьшению глубины проплавления, так как увеличиваются потери тепла на рассеивание в окружающую среду, угар и разбрызгивание. Повышенная длина дуги увеличивает площадь нагрева изделия, вследствие чего увеличивается ширина валика и, следовательно, уменьшается его выпуклость, так как на величину коэффициентов р и н напряжение влияет незначительно. Доля же основного ме-

талла в шве при ручной дуговой сварке с увеличением напряжения практически не изменяется.

Увеличение диаметра электрода (при постоянной силе сварочного тока) приводит к уменьшению плотности сварочного тока, понижению температуры дуги, что влечет за собой уменьшение глубины проплавления, увеличение ширины валика и уменьшение доли

где F — площадь сечения валика, мм2.

Увеличение погонной энергии приводит к возрастанию площади сечения шва, т. е. к изменению доли основного металла в шве и формы валика. Скорость перемещения дуги при однопроходной сварке равна скорости сварки: Vд = Vc.

3. Необходимые материалы

Перечень материалов для выполнения работы:

1)пластины из малоуглеродистой стали (100x100x10) мм;

2)электроды типа Э 42; Э 46; Э 42А; УОНИ-13/45.

4. Оборудование, приспособления, инструмент

На рабочем месте должно быть следующее оборудование и инструмент:

1)сварочный пост постоянного тока с электроизмерительными приборами;

2)секундомер;

3)настольные переносные тиски;

4)струбцина;

5)ручной пресс для излома проб;

6)чертилка;

7)линейка;

8)штангенциркуль.

5.Порядок выполнения работы

5.1. Изучение влияния марки электрода на форму шва

Выполняется в следующей последовательности:

1)зачистить пластины;

2)собрать их встык, пользуясь специальной струбциной и прихватить их по торцам;

3)выправить пластины;

4)разметить на пробе мелом положение валиков;

каждого валика производить только на охлажденную пробу, для чего после наплавки валика проба охлаждается в воде до комнатной температуры. Отклонение силы тока допускается в пределах ±10 %;

7)замаркировать каждый валик;

8)измерить длину каждого валика;

9)произвести излом пробы на ручном прессе после остывания ее до комнатной температуры;

10)половину пробы (образца) закрепить в тисках и, пользуясь линейкой и чертилкой, провести линию раздела наплавленного и проплавленного металлов;

11)измерить штангенциркулем размеры валиков (Л, Ь, с) на образцах;

12)рассчитать Fпр, , п по соответствующим формулам.

5.2.Изучение влияния силы сварочного тока на форму и размеры шва

5.3. Изучение влияния напряжения на дуге на форму шва, разбрызгивание и угар

Для выполнения работы электродами марки У ОНИ-13/45 и выполнить наплавку трех валиков при силе сварочного тока 200—220 А, изменяя напряжение от 24 до 36 В (за счет длины дуги). Коэффициент потерь ( рассчитать по данным αр и αн (работа № 17).

Данные всех измерений и результаты расчетов записать в табл. 18.3.

Таблица 18.3

Результаты опытов по влиянию режимов сварки на форму и размеры шва

6. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1)методику выполнения работы;

2)таблицу исходных данных и результатов расчетов;

3)графики зависимости размеров шва от силы сварочного тока и напряжения;

4)выводы и анализ полученных результатов.