Особенности различных видов сварки плавлением среднелегированных сталей

Дуговая сварка покрытыми электродами.

В настоящее время большинство конструкций из среднелегированных сталей сваривают вручную. К основным особенностям этого способа следует отнести использование низководородистых электродов с фтористо-кальциевым покрытием, применение постоян­ного тока обратной полярности, выполнение швов большого сечения каскадным и блочным методами. Используя перечислен­ные технологические приемы, стремятся максимально увеличить разогрев области шва, особенно при сварке сталей большой тол­щины. Существенно способствует предупреждению трещин повы­шение температуры разогрева более 150° С. Для достижения такого разогрева используют, в частности, каскадный метод сварки при сравнительно небольшой длине его ступени (менее 200 мм).Режимы дуговой сварки среднелегированных сталей покрыты электродами подбирают в зависимости от типа стержня. При ферритном стержне они не отличаются от режимов, приме­няемых при сварке низкоуглеродистых сталей, при аустенитном — от режимов сварки аустенитных сталей.

Конструктив­ные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки покрытыми электродами такие же, как и для сварки углеродистых сталей в соответ­ствии с рекомендациями ГОСТ 5264-80.

Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют элек-троды типов Э-08Х21Н10Г6, Э-13Х25Н18, Э-10Х16Н25АМ6 и др. по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75 (табл. 7.5).

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке на высокую проч-ность (нормализация или закалка с отпуском), а после сварки - от­пуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения с целью обеспечения его равнопрочности с основ­ным металлом, то критерием определения температуры предварительно­го подогрева будет скорость охлаждения, при которой происходит час­тичная закалка околошовной зоны, но гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения последующей термообработки.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке, но после сварки отпуск невозможен из-за крупных размеров конструкции, то сталь данной марки можно использовать для изготовления такой конструкции только в том случае, если нет жестких требований к равнопрочности сварного соединения и основного металла в условиях статического нагружения. Для обеспечения свойств сварного соединения, гарантирую­щих требуемую его работоспособность, критерием для выбора необходи­мой температуры подогрева является диапазон скоростей ох-лаждения, обеспечивающий необходимый уровень механических свойств в око-лошов­ной зоне. Аустенитными электродами обычно сваривают без предвари­те-льного подогрева, но при этом регламентируется время с момента окончания сварки до проведения термообработки изделия. При сварке среднелегированных сталей с невысоким содержанием углерода (0,12...0,17%) последующую термооб-работку проводят в исключительно редких случаях.

Разделку заполняют каскадом или горкой. Температура охлаждения зоны термического влияния в процессе сварки допускается не ниже Т_в = 150 ... 200 °С. Когда термообработка сварного изделия не может быть выполнена (нап-ример, из-за крупных размеров), на кромки детали, подлежащие сварке, нап-лавляют аустенитными или низкоуглеродистыми (низководородистыми) электродами незакаливающийся слой металла такой толщины, при которой температура стали под слоем в процессе выполнения сварки не превысит тем-пературу отпуска при термообработ­ке деталей с наплавленными кромками. Детали с наплавленными кром­ками сваривают аустенитными или низкоуг-леродистыми и низководоро­дистыми электродами без подогрева и последу-ющей термообработки. Режимы сварки принимают в соответствии с рекомен-дациями для аустенитных электродов.

Сварка под флюсом

При изготовлении конструкций из средне­легированных сталей из всех механизированных процессов сварка под флюсом нашла наиболее широкое применение. С ее помо­щью в настоящее время изготовляют конструкции раз-нообразного назначения, преимущественно из металла толщиной 4-50 мм. В отдельных случаях под флюсом сваривают и более тонкий, и более толстый металл.

По сравнению с ручной сваркой, а также другими видами меха­низирован-ной сварки сварка под флюсом обеспечивает более высо­кую производитель-ность. Особенно значительны ее преимущества при однопроходной сварке. В этом случае можно наиболее полно использовать особенности сварки под флю-сом для глубокого проплавления основного металла, применения больших токов, а также избежания затруднений с удалением шлаковой корки. Если сое-динения обладают достаточно высокой стойкостью против образования трещин и подвергаются последующей термообработке, однопроходную сварку под флюсом можно производить на режи­мах, применяемых при сварке низкоугле-родистых и низколегиро­ванных сталей.

При сварке сталей и соединений с пониженной стойкостью против обра-зования трещин (повышенное содержание углерода и легирующих примесей, большая толщина листов или большая жесткость их закрепления) приходится применять дополнитель­ные меры: использование постоянного тока обратной полярности, предварительный подогрев или разогрев области шва при нало-жении многослойного шва, сварку первого слоя по присадочной прово-локе и при увеличенном угле разделки кромок.

Для сварки под флюсом среднелегированных сталей применяют высоко-кремнистые марганцевые флюсы АН-348-А и ОСЦ-45, низкокремнистые флюсы АН-15, АН-15М, АН-17М, АН-42, АН-20 и др. Под высококремнистыми марганцевыми флюсами сваривают соединения, к которым не предъявляются высокие требования по ударной вязкости металла шва. Обычно при исполь­зовании флюсов этого типа ударная вязкость металла шва на ста­лях типа 30ХГСНА не превышает 3—4 кгс-м/см² даже в соедине­ниях, подвергающихся термообработке после свар-ки. К преиму­ществам сварки под такими флюсами следует отнести повышенную стойкость швов против образования кристаллизационных тре­щин.

Низкокремнистые флюсы с небольшим содержанием окислов марганца позволяют получать сварные соединения со значительно более высокими по-казателями ударной вязкости. Так, например, в сварных соединениях стали 30ХГСНА, вы-полненных с примене­нием флюса АН-15М и проволоки Св-20Х4ГМА, ударная вязкость металла шва повышается до 6—8 кгс-м/см² при σ_в = 130 кгс/мм². Отмеченное улучшение качества обусловлено уменьшением со-дер­жания в металле шва фосфора и неметаллических включений, достигаемым за счет низкого содержания во флюсах фосфора и окислов марганца.

К недостаткам флюсов АН-15, АН-15М и АН-20 следует отне­сти необхо-димость выполнения сварки на постоянном токе обрат­ной полярности. При сварке на переменном токе в швах могут возникнуть поры. Флюс АН-42, хотя несколько уступает упомя­нутым флюсам в отношении ударной вязкости металла шва, однако позволяет производить сварку на переменном токе.

Конструктивные элементы подготовки кромок под автоматическую и по-луавтоматическую сварку под флюсом выпол­няют такими же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструкционных ста-лей, т.е. в соответствии с реко­мендациями ГОСТ 8713-79 (в ред. 1990 г.). Одна-ко в диапазоне толщин, для которого допускается сварка без разделки и со ско-сом кромок по­следней следует отдать предпочтение.

Наряду с затруднениями, связанными с образованием холодных трещин в околошовной зоне, при механизированной сварке под флюсом швы имеют повышенную склонность к образованию горячих трещин. Это связано с тем, что при данном способе сварки доля основного метал­ла в металле шва достаточно велика. В связи с этим в шов с расплавлен­ным основным металлом поступают легирующие элементы, содержа­щиеся в свариваемой стали, в том числе и углерод, концентрация которо­го в сталях этой группы достаточно высока.

Влияние содержания уг­лерода, серы и марганца в шве на склонность к образованию горячих трещин схематически представлено на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Влияние содержания углерода, серы и марганца в металле

шва на склонность к образованию горячих трещин (схема):[С]³>[С]²>[С]'

Ли­ния 1 служит границей раздела составов с низким содержани­ем угле-рода [С]¹, при которых образуются или не образуются горячие трещины. При повы­шенном содержании углерода [C]³ такой границей будет ли­ния 3, в этом случае даже при низком содержании серы и большой концентрации мар­ганца в шве могут возникнуть горячие трещины. При механи­зированной сварке под флюсом необходимы подготовка кро­мок, техника и режимы сварки, при кото-рых доля основного металла в шве будет минимальной.

На рис. 7.8 показано влияние сварочного тока и скорости сварки на долю участия основного металла в образовании шва. Доля участия γ₀рас­тет с увели-чением тока и скорости сварки. Для уменьшения γ₀ сварку следует проводить на минимально возможных силах тока и скоростях сварки, обеспечивающих получение швов заданных размеров и формы. Кроме того, для уменьшения у₀ следует отдавать предпочтение разделке кромок под сварку. При использова-нии для сварки низкоуглеродистых проволок в полной мере можно реализовать преимущество сварки под флюсом; получать швы с глубоким проплавлением, повышая при одно­проходной сварке стыковых соединений без разделки кромок сварочный ток и скорость сварки. Необходимый состав металла шва будет обе-спе­чиваться повышением доли основного металла в шве.

Рис. 7.8. Влияние различных условий проведения механизиролванной сварки встык под флюсом на долю участия основного металла в шве (γ₀):

I и 2 - соединения без разделки кромок; 3 и 4 – соединения с разделкой кромок; 1и 3 - сварка при больших силах тока; 2 и 4 - сварка при малых силах тока

Флюс выбирают в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегирован­ной, не со-держащей достаточного количества элементов-раскислителей, сварку выпол-няют под кислыми высоко- или среднемарганцовистыми флюсами (в зависи-мости от состава свариваемой стали). При использова­нии низколегированных проволок, содержащих элементы-раскислители в достаточном количестве, лучшие результаты (по механическим свойст­вам металла шва) обеспечивает применение низкокремнистых, низкомар­ганцовистых флюсов.

Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенитной свароч-ной проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т вы­полняют только под слабо окислительными или безокислительными ос­новными флюсами, пред-назначенными для сварки высоколегированных хромоникелевых сталей. При этом режимы сварки должны обеспечивать требуемые размеры и форму швов и минимально возможное проплавление основного металла. С этой целью в неко-торых случаях применяют сварку трехфазной дугой под плавлеными или кера-мическими основны­ми флюсами. Подкладные кольца и замковые соединения для сталей, например 30ХГСНА, не применяют, так как они снижают надеж-ность изделия в эксплуатации. Вместо подкладных колец первые слои целе-сообразно вы­полнять аргонодуговой сваркой.

Для предотвращения пористости и наводораживания швов флюсы перед сваркой необходимо прокаливать, чтобы их влаж­ность не превышала 0,1% для стекловидных флюсов и 0,05% для пемзовидных. Это достигается нагревом стекловид-ых флюсов до 350 ... 400 °С, а пемзовидных до 400 ... 500 °С с выдержкой 2...3 ч. Макси­мальная температура нагрева под прокалку применяемых флюсов не должна превышать 650 ... 700 °С во избежание окисления компонентов флюса и его спекания.

В случае сварки жестких узлов большой толщины ферритными про­волоками применяют подогрев 150 ... 300 °С. Непосредственно после сварки ферритными проволоками во всех случаях необходим общий или местный отпуск при 600 ... 650 °С для предупреждения образования хо­лодных трещин. Сварку аустенитными материалами производят без предварительно­го подогрева и последующей термообработки соединений.

Сварка в защитных газах

Сварка в защитных газах находит широкое применение при изготовле-нии конструкций из среднелегированных сталей. К технологическим особен-ностям сварки среднелегированных сталей в защитных газах следует отнести тщательную осушку газа с целью предельного снижения содержа­ния водорода в металле шва, а также использование режимов сварки, обеспечивающих по-ниженные скорости остывания свар­ных соединений. Эти меры необходимы для повышения стойкости сварных соединений против образования трещин. В ка-честве защитных газов при сварке среднелегированных сталей применяют пре-имущественно углекислый газ и аргон. Для сварки пригодны режимы, рекомен-дованные для соединений из низколегированных сталей со снижением силы то-ка на 15-20%. В ос-новном исполь­зуют проволоки Св-10ГСМТ, Св-10ХГСН2МТ и Св-08ХЗГ2СМ. Сварку в аргоне производят неплавящимся и в меньшей мере плавящимся электродом, в основном для изготовления ответс-твен­ных конструкций из среднелеги-рованных высокопрочных сталей (σ_в > 150 кгс/мм²).

Для получения сварных соединений, полностью равноценных по конс-труктивной прочности основному металлу, рекомендуется применять автома-тическую аргоно-дуговую сварку с поперечными перемещениями неплавя-щегося электрода (см. рис. 10-18, а).

Рис. 10-18. Аргоно-дуговая сварка с поперечными перемещениями вольфрамо­вого электрода:

а — схема метода; б — внешний вид шва; в -термический цикл в околошовной зоне; г -участок перегрева при сварке с применением колебаний (слева) и без

них (справа); д — металл шва при сварке с применением колебаний (слева) и без них(справа)

Как правило, предусматривают выполнение сварного соединения в два слоя. При первом слое, выполняемом без поперечных пере­мещений электрода, обеспечивается полное проплавление свари­ваемых кромок. При сварке второго слоя электроду придают низкочастотные поперечные колебания (3—6 колебаний в секунду). Сварку осуществляют по присадочной проволоке, которая с помо­щью специального устройства подается в зону дуги. При этом достигается хорошее формирование шва (рис. 10-18, б).

Поперечные перемещения дуги оказывают многостороннее поло­житель-ное влияние на качество сварных соединений, улучшается формирование шва и обеспечивается плавный переход от шва к основному металлу. Существен-но ослабляются столбчатая ориентация структуры металла шва и перегрев в околошовной зоне. Это достигается вследствие пульсирующего изменения тем-пера­туры металла околошовной зоны вблизи линии сплавления (рис. 10-18, в). Время пребывания околошовной зоны при темпе­ратурах, превышающих 1000° С, многократно уменьшается, и перегрев соответственно ослабевает (рис. 10-18, г). Непрерывное изменение фронта кристаллизации перемещающейся свароч-ной ванны способствует изменению направления роста столбчатых кристал-литов, их дроблению и измельчению (рис. 10-18, д).

Положительное влияние поперечных перемещений дуги про­является то-лько при определенных режимах сварки. При большом токе, высоком напряже-нии дуги, малой амплитуде и большой частоте поперечных перемещений элект-рода сварочная ванна не следует за дугой и описанные выше положительные результаты не достигаются.

Присадочная проволока применяется диаметром 0,8—1,6 мм. С ее помо-щью удается хорошо сформировать усиление шва, а также регулировать хими-ческий состав металла шва и его пластические и прочностные свойства.

В швах, выполненных при оптимальном режиме перемещений электрода, наряду с повышенной пластичностью существенно повышается также и проч-ность, что обусловлено увеличениемпоступления углерода в шов из основногометалла.

Перемещения дуги положительно влияют на качество сварных соедине-ний не только при сварке среднелегированных сталей, но и во всех других слу-чаях, когда с применением аргоно-дуговой сварки необходимо получить вы-сокие показатели механических свойств и хорошее формирование шва.В ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый метод увеличения глубины проплавления основного металла при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом. Метод предусматривает нане­сение на свариваемые кромки тонкого слоя специального активи­рующего флюса-пасты (доли грамма на погонный метр). Флюс-пасту приготовляют смешиванием химически чистых компонентов на жидком парафине. Из замеса формируют цилиндрические стержни-карандаши, при помощи которых флюс наносят на свари­ваемые кромки посредством прочерчивания узкойполоски. Содержащиеся во флюсе фториды иокислы, попадая в дугу, способствуют существенному повышению концентрации сварочного нагрева вследствие уменьшения диаметра столба дуги, увели­чения температуры плазмы и плотности тока в прианодной области.

Для увеличения проплавляющей способности дуги при аргонодуго­вой сварке сталей применяют активирующие флюсы (АФ). Применение АФ повы-шает проплавляющую способность дуги, что обеспечивает воз­можность исклю-чения разделки кромок при толщинах 8... 10 мм. Для сварки сталей применяют флюс, представляющий собой смесь компонен­тов (SiO₂, NaF, TiO₂, Ti, Cr₂O₃). Сварка с АФ эффективна при механизи­рованных способах для получения рав-номерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного воль-фрама. Сочетают примене­ние АФ с поперечными низкочастотными колеба-ниями электрода при выполнении поверхностных слоев шва для обеспечения плавного пере­хода от шва к основному металлу. После сварки, не позднее чем через 30 мин, сварные соединения с ферритными швами подвергают высокому отпуску при 600 ... 650 °С в течение 2 ч. Затем производится окончатель­ная термическая обработка по режиму основного металла.

Сварка плавящимся электродом в среде защитных газов находит широ­кое применение при изготовлении конструкций из среднелегированных вы­сокопрочных сталей средней и большой толщины. Конструктивные элемен­ты подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 14771-76 (в ред. 1989 г.). В зависимо­сти от разновидности способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна быть различной.

При сварке в инертных газах в сварочной ванне могут протекать ме­тал-лургические процессы, связанные с наличием в ней растворенных га­зов и ле-гирующих элементов, внесенных из основного или присадочного металла. При использовании смесей инертных газов с активными возни­кают металлургичес-кие взаимодействия между элементами, содержащи­мися в расплавленном ме-талле, и активными примесями в инертном газе.

Если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислоро­да, то при высоких концентрациях углерода будет протекать реакция окисления его. Если концентрация углерода в сварочной ванне в период кристаллизации будет достаточно высокой, то при отсутствии или недос­татке других раскислителей реакция образования СО будет продолжать­ся, что может вызвать порообразование. Возникновению пор способству­ет также и водород, содержание которого при малой степени окисленности ванны может быть достаточно высоким.

Для подавления реакции окисления углерода в период кристаллиза­ции металла шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество раскислителей, например кремния или марганца. Наряду с этим устранение пор при отсутствии раскислителей при сварке с защитой аргоном может быть дос-тигнуто некоторым повышением степени окисленности ванны за счет добавки к аргону кислорода (до 5 %) или углеки­слого газа (до 25 %) в смеси с кислородом (до 5 %). При этом интенси­фицируется окисление углерода в зоне высоких тем-ператур (в головной части сварочной ванны), усиливается его выгорание, вследствие чего концентрация углерода и содержание кислорода в сварочной ванне к мо­менту начала кристаллизации уменьшаются и тем самым прекраща-ется образование СО.

При сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными) ис­пользуют низ-коуглеродистые легированные и аустенитные высоколеги­рованные проволоки, например Св-10ХГСН2МТ, Св-ОЗХГНЗМД, Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х16Н25АМ6, Св-08Х21Н10Г6. Однако равнопрочности металла шва и сва-риваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность сварного со-единения и основного металла можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В этом случае работоспособность сварного соединения при данном соот­ношении свойств мягкой прослойки - шва и основного металла опреде­ляется относительной толщиной мягкой прослойки.

В наиболее полной степени эффект контактного упрочнения может быть реализован при применении так называемой щелевой разделки, пред­ставляющей собой стыковые соединения с относительно узким зазором.

Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять полуавтоматическую сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного шва. Возможно при­менять автоматическую двух- или многодуговую сварку дугами, горя­щими в различных плавильных пространствах таким образом, чтобы теп­ловое воздействие от выполнения последующего слоя на околошовную зону предыдущего происходило при необходимой температуре. Все это позволяет регулировать термический цикл и получать наиболее благо­приятные структуры в околошовной зоне.

Электрошлаковая сварка.

Применение электрошлаковой сварки среднелегированных глубокопрока-ливающихся сталей наиболее рацио­нально для соединения толстолистовых конструкций. Основные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов, выполняемых электрошлаковой сваркой, должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164-78 (в ред. 1989 г.), который регламентирует основные типы соеди­нений, выполняемых при всех разновидностях электрошлаковой сварки.

При выборе электродной проволоки для электрошлаковой сварки следует исходить из требований к составу металла шва. Флюс практиче­ски не влияет на состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае необходимости легирования шва элементами, обладающими большим сродством к кислороду (например Ti, A1), следу­ет применять флюсы на основе фторидов или системы CaF₂-CaO-Al₂O₃.

Электродные проволоки при сварке проволочными электродами и плавя-щимся мундштуком в зависимости от состава свариваемой стали и требований, предъявляемых к шву, выбирают из числа групп легирован­ных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70. Пластины при сварке плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами изготовляют из аналогичных сталей. Для предупреждения горячих трещин в шве необходимо выполнять сварку на режимах, обес­печивающих получение относительно неглубокой и широкой металличе­ской ванны.

Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко зак-репленных элементов необходимо применять предварительный по­догрев до температуры 150 ... 200 °С.

Низкие скорости охлаждения околошовной зоны при электрошлако­вой сварке приводят к длительному пребыванию ее в области высоких температур, вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. Поэтому после электрошлаковой сварки среднелегированных высокопрочных ста­лей необходима высокотемпературная термообработка сварных изделий для восстановления механических свойств до необходимого уровня. Время с момента окончания сварки до проведения термообработки должно быть регламентировано.