Технологические особенности получения сварных соединений из основных конструкционных материалов
КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНЫХ СВАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Краткое содержание:
1. свариваемость материалов
2. технологические особенности получения сварных соединений из основных конструкционных материалов
3. общие принципы конструирования сварных заготовок
4. технологичность сварных заготовок
Свариваемость материалов
Понятие свариваемости часто применяют при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов. В настоящее время под свариваемостью понимают технологическое свойство металлов или сочетаний металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость, с одной стороны, зависит от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой - от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Эксплуатационные свойства сварных конструкций определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или комплекс свойств в зависимости от назначения конструкции. Если эксплуатационные требования удовлетворяются, то свариваемость материалов считается достаточной. Если не обеспечивается хотя бы одно из этих свойств, то свариваемость материала считается недостаточной.
На практике принято различать несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая. При достаточной свариваемости она квалифицируется как хорошая; при недостаточной - удовлетворительная, она соответствует случаю, когда достаточную свариваемость могут обеспечить выбором рационального режима сварки; ограниченная - когда для этой цели необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменить способ сварки; плохая - когда никакими мерами невозможно достичь достаточной свариваемости.
Для исследования свариваемости, как правило, применяют сварные образцы специальной конструкции или образцы с имитацией сварочных термических или термодеформационных циклов. В результате испытания сварных образцов определяются условия появления дефектов, механические и специальные свойства соединений. Наряду с экспериментальными используют расчетные методы определения показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соединения, вид, режим сварки и другие факторы.
Количество показателей свариваемости может быть равно количеству характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений. В каждом конкретном случае основные показатели выбирают с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.
При сварке однородных металлов в месте соединения, как правило, образуется структура, близкая к структуре соединяемых заготовок. В этом случае свариваемость оценивается как хорошая или удовлетворительная. В процессе сварки разнородных материалов в зависимости от степени их взаимной растворимости в соединении могут образовываться твердые растворы, химические и интерметаллические соединения. Механические и физические свойства соединений могут существенно отличаться от свойств свариваемых материалов. При этом высока вероятность образования несплошностей в виде трещин и несплавлений. Свариваемость в этом случае оценивается как ограниченная или плохая.
Прочность и твердость шва при сварке сплавов, как правило, ниже, чем у основного материала. Это объясняется тем, что для предотвращения образования трещин при сварке плавлением применяют менее легированный присадочный материал, чем металл заготовок. Пониженная пластичность шва может быть обусловлена крупнокристаллитной литой макроструктурой и повышенным содержанием газов.
В зоне термического влияния, т.е. на участке основного металла, прилегающего к шву, под воздействием нагрева происходят фазовые и структурные превращения (ФИЛЬМ). В результате фазовых превращений в з.т.в. возможно существенное изменение твердости и пластичности (рисунок 16.1).
Рисунок 16.1. Неоднородность механических свойств различных зон сварного соединения легированной стали: 1 - основной металл; 2 - шов; 3 - зона термического влияния; HV - твердость; d - пластичность (относительное удлинение).
Наиболее опасным проявлением пониженной свариваемости является образование горячих и холодных трещин в шве и в з.т.в. (рисунок 16.2). Причины возникновения трещин - снижение пластичности и прочности как в процессе кристаллизации шва, так и в послесварочный период вследствие полиморфных превращений и насыщения газами, а также в результате развития сварочных напряжений и деформаций.
Рисунок 16.2. Вид трещин сварных соединений: а - горячих; б - холодных; 1 - столбчатые кристаллы; 2 - расположение жидких прослоек при завершении кристаллизации шва; 3 – трещины.
Технологические особенности получения сварных соединений из основных конструкционных материалов
Сварка углеродистых и легированных сталей.Низкоуглеродистые (менее 0,3 % С) и некоторые низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью и соединяются большинством видов сварки без особых трудностей.
Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,3% и более (Сталь 45, 30ХГСА, 40ХНМА и др.), как правило, претерпевают закалку в з.т.в. Поэтому для сварных соединений этих сталей характерна склонность к образованию в этой зоне холодных трещин, которые появляются при насыщении металла водородом.
Для обеспечения хорошей свариваемости этих сталей при дуговой сварке рекомендуют предварительный, сопутствующий и последующий прогрев заготовок до температуры 100…300 oС, а также прокалку флюсов, электродов и осушение защитных газов. Контактную сварку этих сталей выполняют на режимах, обеспечивающих подогрев заготовок и замедленное охлаждение после сварки.
Сварка высоколегированных коррозионно-стойких сталей. При сварке этих сталей на режимах, обусловливающих продолжительное пребывание металла в области температур 500…800 oС, возможна потеря коррозионной стойкости металла шва и з.т.в.
При дуговой сварке для предупреждения межкристаллитной коррозии соединений рекомендуется технологический процесс с использованием минимально необходимой погонной энергии, тепловой энергии, затрачиваемой на образование единицы длины шва и с применением теплоотводящих подкладок, уменьшающих время пребывания металла при высоких температурах. Кроме того, последующая закалка сварных заготовок обеспечивает растворение образовавшихся в процессе сварки карбидов хрома и фиксирует чисто аустенитную структуру.
При дуговой сварке аустенитных сталей возможно образование в швах горячих трещин. Образованию трещин способствуют широкий интервал кристаллизации, наличие вредных примесей и крупнозернистая столбчатая макроструктура шва. Аустенитные стали хорошо свариваются контактной сваркой при повышенном давлении.
Сварка меди и ее сплавов. На свариваемость меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней вредные примеси (О2, Н2, Рb). Кислород, находящийся в меди в виде оксида Cu2O, является одной из причин образования горячих трещин в сварных швах.
В расплавленной меди водород имеет высокую растворимость, которая резко снижается при кристаллизации. Водород, оставшийся в твердом металле, вступает в реакцию с оксидом меди, в результате чего выделяются водяные пары. Последние скапливаются под высоким давлением в микропустотах, что приводит к так называемой водородной хрупкости.
Поскольку медь обладает высокой теплопроводностью, дуговую сварку выполняют с высокой погонной энергией и с предварительным подогревом. Для предотвращения образования трещин сварку осуществляют в атмосфере аргона, гелия, азота и их смесей либо под флюсом на основе буры (Na2В4О7). Медные заготовки толщиной более 50 мм соединяют электрошлаковой сваркой.
Основной трудностью при сварке латуней является испарение цинка. В результате снижаются прочность и коррозионная стойкость швов. При дуговой сварке в защитных газах преимущественно применяют неплавящийся (вольфрамовый) электрод. Для сварки заготовок из бронзы применяют ту же технологию, что и при сварке меди.
Латуни и бронзы имеют более высокое удельное электросопротивление, чем медь, поэтому они достаточно хорошо свариваются контактной сваркой. Медные заготовки контактной сваркой не соединяются.
Сварка алюминия и его сплавов. Трудности сварки заготовок из этих металлов обусловлены образованием на поверхности кромок прочной и тугоплавкой пленки Al2О3, а также склонностью к образованию газовой пористости и горячих трещин.
Термически упрочняемые сплавы системы Al - Cu - Mg (дуралюмины) обладают плохой свариваемостью. При нагреве свыше 500 oС в этих сплавах оплавляются границы зерен с образованием эвтектических включений. В результате этого происходит охрупчивание сварного соединения в з.т.в. и снижение прочности по сравнению с основным материалом.
При изготовлении конструкций из алюминия и его сплавов наиболее широко применяют дуговую сварку в атмосфере инертных газов. Заготовки из этих металлов также соединяют электрошлаковой и контактной сваркой. Чистый алюминий обладает хорошей свариваемостью в условиях холодной сварки.
Относительно хорошо свариваются термически неоднородные сплавы системы Al - Mn (сплав АМц) и сплавы Al - Mg (сплав АМг).
Сварка тугоплавких металлов и сплавов. Трудности при сварке титана, циркония, молибдена и ниобия связаны с тем, что они при нагреве интенсивно поглощают кислород, водород и азот. При этом даже незначительное содержание этих газов приводит к резкому снижению пластических свойств металлов.
Титан и его сплавы соединяют дуговой сваркой в атмосфере аргона высшего сорта. Для сварки заготовок из этих сплавов также применяют плазменную и электронно-лучевую сварки.
Цирконий весьма близок по свариваемости к титану, поэтому его сваривают по аналогичной технологии.
Молибден, ниобий и их сплавы более чувствительны к насыщению газами, чем титан, особенно кислородом. Заготовки из этих сплавов соединяют дуговой сваркой в камерах, заполненных аргоном, или электронно-лучевой сваркой в вакууме.