Механизации и автоматизации сварочных процессов

В основном применялась сварка с отбортовкой кромок или стыковых швов. Во всех этих случаях сварка тонкого металла угольной дугой обеспечивала удовлетворительное формирование шва в любом пространственном положении, так как объем жидкой ванны мал. Изучение металлургических процессов позволило распространить сварку угольным электродом в углекислом газе на нержавеющие стали и комбинированные соединения (низкоуглеродистая сталь + высоколегированный сплав).

Применение плавящихся электродов для сварки в углекислом газе сдерживалось тем, что наличие окислительной  атмосферы приводило к выгоранию  углерода и легирующих компонентов  из металла, а также к появлению  пор в шве. Также такой процесс  сопровождался повышенным разбрызгиванием  металла.

Таким образом, для предотвращения указанных выше недостатков необходимо было подавить окислительный потенциал  газовой фазы. Это было достигнуто путем применения проволоки, легированной марганцем и кремнием, которые  являются хорошими раскислителями. Введение дополнительного количества раскислителей в зону дуги подавляет окисление углерода и выгорание других элементов из металла, что устраняет образование пор и обеспечивает получение швов с достаточно высокими механическими свойствами.

Сотрудниками ЦНИИТМАШ в  середине 50-х гг. ХХ в. были разработаны технологические рекомендации по сварке в углекислом газе проволоками диаметром 1,6–2,5 мм углеродистых, нержавеющих и ряда конструкционных сталей. Новый способ сварки обеспечивал более высокую производительность по сравнению с ручной дуговой сваркой, но мог быть использован только для выполнения швов в нижнем положении металла средних и больших толщин.

В это же время в Институте  электросварки при непосредственном участии Б.Е. Патона был разработан процесс сварки в СО₂ тонкой проволокой диаметром 0,5–1,2 мм, протекающий с принудительными короткими замыканиями. По своей физической природе данный процесс является импульсно-дуговым. Данный вариант сварки применяется для соединения углеродистых и нержавеющих сталей малых толщин, выполнения швов, расположенных в вертикальном, горизонтальном и потолочном положении.

Для реализации этих способов разработана специальная аппаратура для автоматической и полуавтоматической сварки. Полуавтоматическая сварка в  СО₂ отличается большой маневренностью, простотой поддержания стабильного режима и техники выполнения швов.

В то же время при использовании  серийной проволоки Св-08Г2С процесс  сварки сопровождался разбрызгиванием  до 15%. Исследованиями российских ученых установлено, что потери на разбрызгивание существенно зависят от соотношения  между напряжением и током  сварки, чистоты поверхности проволоки, магнитного дутья, динамических свойств  источника питания, техники выполнения сварки и квалификации сварщика.

Одним из путей уменьшения разбрызгивания при сварке в углекислом газе является введение в дугу ряда веществ: солей щелочных и щелочноземельных металлов, оксидов титана, легирующих элементов. Наиболее широкое распространение  получил способ введения различных  веществ в дугу при сварке в  углекислом газе за счет использования  порошковой проволоки. Основу шихты  порошковых проволок, используемых для  сварки в СО₂, составляют шлакообразующие, раскислители и легирующие. Наиболее широкое применение нашли рутиловые и рутил-флюоритные порошковые проволоки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сварка в защитных газах

 

Классификация способов сварки в защитных газах представлена на рис.1.

 

Рисунок 1. Классификация  способов сварки в защитных газах

Сварка конструкционных  средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей

Классификация и основные свойства

Конструкционную сталь, применяемую  в сварных изделиях, выплавляют в  основных и кислых мартеновских и  открытых электропечах. Нередко осуществляют рафинирование стали (особенно легированных высокопрочных сталей) жидким синтетическим  шлаком (СШ) в ковше, а также электрошлаковым  переплавом (ЭШП). В некоторых случаях  производят вакуумно-дуговой переплав (ВДП) и выплавку в индукционных печах (ВИ). Рафинирование снижает загрязненность стали неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами, и т.д.), вредными примесями (серой) и газами, уменьшает число дефектов (волосовины и пористость), что улучшает свариваемость сталей. Однако при этом повышается склонность сталей к росту зерна при нагреве. Поэтому иногда ударная вязкость сварных соединений в зоне термического влияния оказывается ниже, чем у сталей обычной выплавки.

К среднеуглеродистым относят стали, содержащие 0,20—0,45%С. Средне-углеродистые стали отличаются от низкоуглеродистых различным содержанием углерода. Качественные углеродистые стали могут быть с повышенным содержанием марганца (0,7—1,0%). Среднеуглеродистые стали используют в нормализованном состоянии. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций применяют преимущественно стали 35 и 40. К высокоуглеродистым относятся стали, содержащие 0,46—0,75%С. Они отличаются плохой свариваемостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Необходимость сварки подобных сталей возникает при ремонтных работах.

Основным легирующим элементом, определяющим механические свойства углеродистых сталей, является углерод. С повышением углерода увеличивается прочность и снижается  пластичность. Чувствительность к перегреву  и закаливаемости повышается, что  снижает свариваемость. Марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, водород и  азот попадают в металл в процессе производства. Из них активными раскислителями являются марганец и кремний. Сера образует низкотемпературную эвтектику по границам зерен, что приводит к красноломкости при ковке и прокатке и к горячим трещинам при сварке. Фосфор, растворяясь в феррите, резко снижает пластичность стали и повышает 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 вызывает образование внутренних надрывов. При охлаждении стали ниже 200 ⁰С водород выделяется из твердого раствора и создает внутренние напряжения, приводящие к появлению трещин. Содержание газов в металлах снижается при выплавке и разливке в вакууме. К конструкционным легированным относят стали, легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5—10%, предназначенные для работы при температурах до 500 ⁰С.

Для современных легированных сталей характерно многокомпонентное комплексное  легирование. Оно более экономично и позволяет получить стали с  более высокими механическими свойствами. Механические свойства после упрочняющей  термической обработки (закалки, отпуска) некоторых конструкционных легированных сталей, применяющихся для сварных  конструкций, приведены в табл. Широкое  применение легированных сталей в конструкциях связано с их высокой прочностью при сохранении вязкости. Среднелегированные стали, применяемые для сварных  конструкций, в основном относятся  к перлитному классу. Однако некоторые  стали этой группы, содержащие 5—6% легирующих элементов 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 химическим составом, так и видом термической обработки. Стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, подвергают улучшению (закалке с последующим отпуском). Высокие прочностные и пластические свойства легированных сталей сочетаются с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и определяет их использование для конструкций, работающих в тяжелых условиях, например при ударных и знакопеременных нагрузках, при низких или высоких температурах 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 элементами (включая углерод), способствующими образованию хрупкой структуры мартенсита при термическом цикле сварки, тем хуже свариваемость данной стали при прочих равных условиях (метод выплавки, тип соединения, толщина свариваемой детали и т. п.). Например, стали 38Х2МЮА, 30ХН2МФА, 18Х2Н4МА, 38ХНЗМФА и им подобные для сварных конструкций применять не рекомендуется.

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 сталей этой группы необходимо выбирать марку стали не только исходя из показателей прочности основного металла, но и с учетом возможности получения необходимых стабильных механических свойств сварных соединений в условиях производства данного конкретного изделия и полной реализации этих свойств при работе конструкций.

В некоторых случаях разрушения происходят вследствие концентрации напряжений, появления значительных по величине остаточных сварочных напряжений и  снижения пластичности металла. Эти  факторы проявляются сильнее  в результате конструктивных недостатков, неправильного выбора материалов для  сварных изделий, способов сварки и  технологии. Надежность и долговечность  сварных соединений должны являться основными и главными критериями при выборе марки стали и способов изготовления сварных изделий. В  ряде случаев оказывается более  целесообразным выбор менее прочной  стали, с меньшим содержанием  углерода, но более технологичной  при сварке. Содержание углерода более 0,30% способствует склонности сталей к перегреву и закалке, образованию горячих и холодных трещин в сварном соединений и пор в металле шва. Для предупреждения этих явлений необходимы усложняющие технологический процесс операции подогрева при сварке и термообработки после сварки.

При изготовлении ответственных сварных  изделий из закаливающихся сталей в  технологическом процессе должны быть предусмотрены меры, предупреждающие  опасность хрупких разрушений:

1) Применение основного металла  с регламентированным составом  и свойствами, в частности спокойной  и дополнительно раскисленной стали, низколегированных сталей вакуумно-дугового и электрошлакового переплава и др.

2) Применение методов сварки, обеспечивающих  высокие механические свойства  металла шва (дуговая сварки покрытыми электродами, под флюсом, в защитных газах и др.).

3) Применение методов контроля, ограничивающих 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 пониженными пластическими свойствами, способствующими возникновению трещин при сварке конструкций или разрушению сварных соединений в эксплуатации. Рассматриваемая группа материалов относится к закаливающимся сталям, в сварных соединениях которых под действием термического цикла сварки могут образовываться хрупкие и малопластичные зоны в участках, где металл нагревается до температур выше точки А_с3. 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 структуре 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 концентрации водорода, при воздействии внутренних напряжений чувствительны к образованию холодных трещин. Наиболее часто холодные трещины образуются в швах и околошовной зоне среднеуглеродистых и легированных сталей перлитного и мартенситного 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 остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24—48ч). Чем выше температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, 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  мартенситного превращения, усиливают  склонность 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 чувствительности к закаливаемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалента углерода для различных легирующих элементов:

С_экв=[С+Мn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]

где символы – химический элемент, содержание его в стали, % масс.

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 С_эквстали с большим содержанием 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. Замедленное разрушение связано с фиксированием нестабильного остаточного аустенита в структуре мартенсита при быстром остывании участков сварных соединений, нагревающихся при сварке выше точки А_с3. 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 γ-раствора при нагреве до высоких температур и высокой скорости охлаждения. Кроме того, объемные напряжения сжатия, возникающие в шве и прилегающей зоне основного металла при образовании мартенсита, затормаживают процесс мартенситного превращения и могут способствовать сохранению еще большего количества остаточного аустенита. При распаде остаточного аустенита с увеличением объема образуется хрупкая структура неотпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увеличения 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 выполняют  в условиях жесткого закрепления  свариваемых деталей, в шве после  остывания развиваются высокие  растягивающие напряжения от реакции  заделки. Суммарное воздействие  растягивающих сварочных напряжений I рода и структурных напряжений, возникающих в результате распада  остаточного аустенита при 20 ⁰С, в критических случаях приводит к появлению трещин с течением времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включениями, 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, облегчающие возможность образования микротрещин.