Классификация сварки и наплавки

Классификация сварки и наплавки

   Сварка металлов представляет  собой технологический процесс  получения неразъемного соединения  металлов за счет установления  межатомных или межмолекулярных связей или их диффузии.

В зависимости  от вида энергии, необходимой для  обеспечения данных связей, различают  три класса сварки: термический, термомеханический  и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемой плавлением, — местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии.

Источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые  источники энергии и теплота, выделяемая при электрошлаковом  процессе.

Источники теплоты характеризуются температурой и концентрацией, определяемой наименьшей площадью нагрева в месте сварки и наибольшей плотностью тепловой энергии в месте нагрева. Эти характеристики определяют технологические свойства источников нагрева металла при сварке и наплавке. 
Степень концентрации теплоты в электрической дуге в десятки раз, в плазме — в тысячи, а в фотонном луче (лазерная обработка) — в десятки тысяч раз выше, чем в газовом пламени.

Основные  виды сварки термического класса —  дуговая, газовая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, лазерная, термитная и др.

Дуговая сварка — сварка плавлением, при  которой нагрев осуществляют электрической  дугой. Особым видом дуговой сварки является плазменная сварка, при которой  нагрев осуществляют сжатой дугой.

Газовая сварка — сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки.

Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при  которой для нагрева металла  используют теплоту, выделяющуюся при  прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.

Электронно-лучевая  сварка — сварка, в которой для  нагрева используют энергию электронного луча. Теплота выделяется за счет бомбардировки  зоны сварки направленным электронным  потоком.

Лазерная  сварка осуществляется энергией светового луча, полученного от оптического квантового генератора—лазера.

Легирующие элементы

Легированные стали подразделяют на низколегированные (с содержанием  легирующих компонентов, кроме углерода, не более 2,5%), среднелегированные (с содержанием легирующих компонентов, кроме углерода, 2,5—10%) и высоколегированные (с содержанием легирующих компонентов, кроме углерода, свыше 10%).

Свариваемость легированных сталей оценивается не только возможностью получения сварного соединения с физико-механическими свойствами, близкими к свойствам основного металла, но и возможностью сохранения специальных свойств: коррозионной стойкости, жаропрочности, химической стойкости, стойкости против образования закалочных структур и др. Большое влияние на свариваемость стали оказывает наличие в ней различных легирующих примесей: марганца, кремния, хрома, никеля, молибдена и др.

Влияние кремния и марганца на свариваемость стали уже рассматривалось, остановимся на других элементах. 
Хром содержится в низколегированных сталях до 0,9%. При таком содержании он не оказывает существенного влияния на свариваемость стали. В конструкционных сталях хрома содержится 0,7—3,5%, в хромистых — 12—18%, в хромоникелевых — 9—35 %. С повышением содержания хрома свариваемость стали ухудшается, так как, окисляясь, хром образует тугоплавкие оксиды Сг203, резко повышает твердость стали в зоне термического влияния, образуя карбиды хрома, а также способствует возникновению закалочных структур.

Никель содержится в низколегированных  сталях до 0,6%, в конструкционных  сталях — 1,0—5%, в легированных сталях — 8—35 %. Никель способствует измельчению  кристаллических зерен, повышению  пластичности и прочностных качеств  стали и не снижает свариваемости.

Молибдена в теплоустойчивых  сталях содержится от 0,15 до 0,8%, в сталях, работающих при высоких температурах и ударных нагрузках, — 3,5 %. Молибден способствует измельчению кристаллических  зерен, повышению прочности и  ударной вязкости стали, но ухудшает свариваемость стали, так как способствует образованию трещин в металле шва и в зоне термического влияния. В процессе сварки легко окисляется и выгорает, поэтому требует специальных мер для надежной защиты от выгорания при сварке.

Ванадий содержится в сталях до 1,5%. Он придает стали высокую прочность, повышает ее вязкость и упругость. Ухудшает свариваемость, так как способствует образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоны. При сварке легко окисляется и выгорает.

Вольфрам содержится в сталях от 0,8 до 18%. Значительно повышает твердость стали и теплостойкость. Снижает свариваемость стали, в процессе сварки легко окисляется и выгорает.

Титан и ниобий содержатся в нержавеющих и жаропрочных  сталях в пределах 0,5—1,0%. Они являются хорошими карбидообразователями и препятствуют образованию карбидов хрома. При сварке нержавеющих сталей ниобий способствует образованию горячих трещин.

Сварка низколегированных сталей

Низколегированные стали  содержат углерода до 0,25% и легирующих примесей до 3 %. Они относятся к  категории удовлетворительно свариваемых  сталей. Следует учитывать, что при  содержании в стали углерода более 0,25% возможно образование закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва. Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва.

Сталь марки 15ХСНД сваривают вручную  электродами типа Э50А или Э55А. Наилучшие результаты дают электрод типа УОНИИ-13/55 и электрод ДСК-50. Сварку электродами типа ДСК-50 можно выполнять переменным током, но лучшие результаты дает сварка постоянным током обратной полярности. Многослойную сварку следует производить каскадным методом. Чтобы предупредить перегрев стали, следует выполнять сварку при токах 40—50 А на 1 мм диаметра электрода. Рекомендуется применять электроды диаметром 4—5 мм. Автоматическую сварку сталей 15ХСНД, 15ГС и 14Г2 производят проволокой типа Св-08ГА или Св-ЮГА под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45 при высоких скоростях, но при малой погонной энергии. В зимних условиях сварку конструкций из стали марки 15ХСНД можно производить при температурах не ниже 10°С. При более низких температурах применяют предварительный подогрев зоны сварки на ширине до 121 мм по обе стороны шва до температуры 100—150°С. При температуре -25°С сварка не допускается.

Стали марок 09Г2С и 10Г2С1 относятся  к группе незакаливающихся, не склонных к перегреву и стойких против образования трещин. Ручная сварка электродами типов Э50А и Э55А  выполняется на режимах, предусмотренных для сварки низкоуглеродистой стали. Механические свойства сварного шва не уступают показателям основного металла. Автоматическая и полуавтоматическая сварки выполняются электродной проволокой типа Св-08ГА, Св-ЮГА или Св-10Г2 под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45. 
Сварку листов толщиной до 40 мм производят без разделки кромок. При этом равнопрочность сваренного шва обеспечивается за счет перехода легирующих элементов из электродной проволоки в металл шва.

Стали хромокремниемарганцовистые, типа хромансиль, относятся к низколегированным (марки 21ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА и 35ХГСА). Они дают закалочные структуры и склонны к образованию трещин. При этом чем меньше толщина кромок, тем больше опасность закалки металла и образования трещин, особенно в околошовной зоне. Для сварки могут применяться электроды НИАТ-ЗМ типов Э70, Э85. Для ответственных сварных швов рекомендуются электроды со стальными стержнями из проволоки типа Св-18ХГС или Св-18ХМА с покрытием следующих типов: ЦЛ-18-63, ЦК-18Мо, УОНИИ-13/65, УОНИИ-13/85, УОНИИ-13/НЖ.

При сварке более толстых металлов применяется многослойная сварка с  малыми интервалами времени между  наложением последующих слоев. При  сварке кромок разной толщины сварочный  ток выбирается по кромке большей  толщины и на нее направляется большая часть зоны дуги. Для устранения закалки и повышенной твердости металла шва и околошовной зоны рекомендуется после сварки нагреть изделие до температуры 650—680°С, выдержать при этой температуре определенное время в зависимости от толщины металла (1 час на каждые 25 мм) и охладить на воздухе или в горячей воде.

Сварку низколегированных сталей в защитном газе производят при плотностях тока более 80 А/мм2. Сварка в углекислом газе выполняется при постоянном токе обратной полярности. Рекомендуется  электродная проволока диаметром 1,2—2,0 мм марки Св-08Г2С или Св-10Г2, а для сталей, содержащих хром и никель, Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ.

Электрошлаковая сварка сталей любой  толщины успешно производится электродной  проволокой марки Св-10Г2 или Св-18ХМА  под флюсом АН-8 при любой температуре окружающего воздуха. Эффективной является сварка в углекислом газе с применением порошковой проволоки.

Газовая сварка отличается значительным разогревом свариваемых кромок, снижением  коррозионной стойкости и более  интенсивным выгоранием легирующих примесей. Поэтому качество сварных соединении ниже, чем при других способах сварки. При газовой сварке пользуются только нормальным пламенем при удельной мощности 75—100 л/(ч-мм) при левом способе, а при правом — 100—130 л/(ч-мм). Присадочным материалом служит проволока марок Св-08, Св-08А, Св-10Г2, а для ответственных швов — Св-18ХГС и Св-18ХМА. Проковка шва при температуре 800—850°С с последующей нормализацией повышает механические качества шва.

Сварка  средне- и высоколегированных сталей

Сварка  этих видов сталей затруднена по ряду причин. В процессе сварки происходит частичное выгорание легирующих примесей и углерода. Вследствие малой  теплопроводности возможен перегрев свариваемого металла. Эти стали отличает повышенная склонность к образованию закалочных структур, а больший, чем у низкоуглеродистых сталей, коэффициент линейного расширения может вызвать значительные деформации и напряжения, связанные с тепловым влиянием дуги. Причем, чем больше в стали углерода и легирующих примесей, тем сильнее проявляются эти свойства. Для устранения влияния перечисленных причин на качество сварного соединения рекомендуется:

• тщательно подготавливать изделие под сварку;
• сварку вести при больших скоростях с малой погонной энергией, чтобы не допускать перегрева металла;
• применять термическую обработку для предупреждения образования закалочных структур и снижения внутренних напряжений;
• применять легирование металла шва через электродную проволоку и покрытие с целью восполнения выгорающих в процессе сварки примесей.

Электроды для сварки высоколегированных сталей изготовляют из высоколегированной сварочной проволоки. Применяют  покрытие типа Б. Обозначения типов  электродов состоят из индекса Э  и следующих за ним цифр и букв. Две или три цифры, следующие за индексом, указывают на количество углерода в металле шва в сотых долях процента. Следующие затем буквы и цифры указывают примерный химический состав металла. Сварку производят постоянным током обратной полярности. При этом сварочный ток выбирают из расчета 25—40 А на 1 мм диаметра электрода. Длина дуги должна быть возможно короткой. Рекомендуется многослойная сварка малого сечения при малой погонной энергии. 
Хромистые стали относятся к группе нержавеющих коррозионно-стойких и кислотостойких сталей. По содержанию хрома они делятся на среднелегированные (до 14% хрома) и высоколегированные (14—30% хрома). При сварке хромистых сталей возникают следующие затруднения. Хром при температуре 600—900° С легко вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбиды, которые, располагаясь в толще металла, вызывают межкристаллитную коррозию, снижающую механические свойства стали. Чем выше содержание углерода в стали, тем активнее образуются карбидные соединения. Кроме того, хромистые стали обладают способностью к самозакаливанию (при охлаждении на воздухе), вследствие чего при сварке металл шва и околошовиой зоны получает повышенную твердость и хрупкость. Возникающие при этом внутренние напряжения повышают опасность возникновения трещин в металле шва. Усиленное окисление хрома и образование густых и тугоплавких оксидов являются также серьезными препятствиями при сварке хромистых сталей.

Среднелегированные  хромистые стали, содержащие до 2% углерода, относятся к мартенситному классу. Они свариваются удовлетворительно, но требуют подогрева до 200—300° С и последующей термической обработки.

Особенности сварки чугуна

Чугуны  — это железоуглеродистые сплавы, в которых присутствуют следующие примеси, %: углерода — 2,0—4,0; марганца — 0,5—1,6; кремния — 0,5—4,0; серы — 0,02—0,2 и фосфора — 0,02—0,2. Специальные чугуны имеют также легирующие примеси: никель, хром, медь, титан и алюминий.

Углерод в чугуне может находиться в виде карбида Fe3C. Такой чугун, называемый белым, обладает повышенной твердостью и плохо поддается механической обработке. В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде прослоек графита и только частично может быть в виде вторичных карбидов.

Кремний способствует графитизации чугуна и увеличению размеров графитовых включений. Марганец при  содержании в чугуне до 0,7% слабо  способствует графитизации, а при  содержании свыше 1 % препятствует распаду  карбида железа. Сера является вредной примесью: повышает густотекучесть чугуна, ухудшает литейные качества и дает соединение Fe3S, способствующее образованию трещин при сварке. Сера препятствует распаду карбида железа и выделению свободного углерода. Фосфор является слабым графитизатором: улучшает литейные качества чугуна, повышая жидкотекучесть. 
Из легирующих примесей сильным графитизатором является алюминий. Выделению графита способствуют также никель, кобальт, медь, титан. Хром, ванадий и молибден, препятствуя распаду карбида железа, действуют как размельчители зерна.

Широкое применение получают модифицированные и высокопрочные  чугуны, имеющие ферритную или  перлитную основу или их сочетание. Эти чугуны обладают высокими механическими  свойствами и применяются при  изготовлении ответственных деталей машин. Их высокие механические свойства обусловлены тем, что вместо вытянутых пластинок и прожилок графита, нарушающих целостность металлической основы, графит в высокопрочном чугуне имеет глобулярную форму, обеспечивающую наибольшую однородность металлической основы.

Трудности сварки чугунов  обусловлены их физико-механическими  свойствами:

• быстрое охлаждение жидкого металла в зоне сварки, а также выгорание кремния из расплава шва способствуют местному «отбеливанию» металла шва и околошовной зоны, т. е. переходу графита в химическое соединение с железом — цементит, который трудно поддается механической обработке;
• отсутствие периода пластического состояния и высокая хрупкость приводят, вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, а также неравномерной усадки металла, к появлению больших внутренних напряжений и трещин как в самом сварном шве, так и в околошовной зоне;
• низкая температура плавления, непосредственный переход чугуна из твердой фазы в жидкую, и наоборот, затрудняют выход газов из металла шва, и шов получается пористым;
• высокая жидкотекучесть чугуна не позволяет производить сварку не только в вертикальном, но и в наклонном положении шва.