Механизации и автоматизации сварочных процессов

Образование хрупкой структуры  мартенсита является необходимым, но не всегда достаточным фактором для  реального появления трещины. Необходимо наличие и других факторов — растягивающих  напряжений, остаточного аустенита  и избыточного водорода. Многие конструкции свариваются и надежно эксплуатируются (особенно из низкоуглеродистых легированных сталей) при наличии структуры мартенсита в сварном соединении, если устранены концентраторы напряжений в хрупкой зоне или созданы благоприятные условия в сварном соединении, снижающие чувствительность конструкций к концентрациям напряжений (применены аустенитные присадки, обеспечивающие аустенитную структуру шва с высокой пластичностью, или поверхностная обработка путем наклепа).

Образование холодных трещин при сварке закаливающихся сталей уменьшается:

1) при выборе способа и технологии  сварки, обеспечивающих отсутствие  грубодендритной закалочной структуры литого металла шва, минимальном перегреве зоны термического влияния и минимальных дополнительных растягивающих напряжениях при остывании шва за счет реакций связей;

2) при сварке с применением  подогрева, уменьшающего вероятность  образования закалочных структур;

3) при снижении содержания водорода  в сварном соединении;

4) при отпуске после сварки.

Применение специальных присадочных  проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода  при автоматической сварке, импульсного  режима сварочного тока (при малых  толщинах металла), подбор оптимальных  режимов сварки позволяют обеспечить более равноосную зернистую структуру металла шва и предупредить чрезмерное развитие зоны перегрева основного металла с крупнокристаллической структурой.

Метод сварки влияет на склонность сварных  соединений к образованию холодных замедленных трещин. Для среднелегированных сталей методы сварки по возрастанию  сопротивляемости сварных швов к  образованию холодных трещин можно  расположить в следующем порядке: автоматическая сварка под кислыми  флюсами (АН-348-А и др.), ручная дуговая  сварка электродами типа УОНИ-13 (УОНИ-13/45; УОНИ-13/85), сварка в СО2, аргонодуговая сварка.

Обеспечение при сварке изделий  свободной усадки сварных соединений с помощью рациональной конструкции, порядка наложения сварных швов, применения приспособлений, создающих  сжимающие напряжения в сварном  соединении при остывании, позволяют  снизить реактивные растягивающие  напряжения в сварных соединениях. Например, при сварке фланцев (рисунок 1,а) хороший эффект обеспечивает предварительный  выгиб кромок листа для компенсации  усадки (рисунок 1,б), замена сварки плоским  кольцевым швом сваркой по отбортовке (рисунок 1,в), запрещение применения сварки угловыми швами (рисунок 1,г). Предварительный или сопутствующий подогрев с целью предупреждения образования закалочных структур следует производить лишь в крайних случаях и для деталей с небольшим протяжением сварных швов, так как поддержание с достаточной точностью заданной температуры подогрева по всей длине шва в течение всего процесса сварки является трудно осуществимым, а условия работы сварщика становятся весьма тяжелыми; все это делает технологический процесс нестабильным. Подогрев осуществляют газовыми горелками и с помощью ТВЧ посредством индукторов. Температуру в пределах 100—500 ^°С контролируют цветными термокарандашами.

Рисунок 1. Типы сварных  соединений штуцеров

Снижение содержания водорода в  металле шва для предупреждения холодных трещин обеспечивается применением  осушенных защитных газов, низководородистых электродов (основного типа), прокаливанием их и флюсов перед сваркой. При газоэлектрических методах сварки (сварка в СО₂, в аргоне и др.) влажность газов необходимо контролировать. Следует применять сухие газы с точкой росы не выше — 50 ^°С, так как влажные газы резко повышают склонность сварных швов к образованию холодных трещин. При ручной дуговой сварке сталей с пределом текучести более 700 МПа содержание влаги в покрытии не должно превышать соответственно 0,2 и 0,1%.

Эквивалентное содержание углерода влияет на критическое содержание водорода в металле конструкционных легированных сталей. Чем выше содержание углерода и других элементов, понижающих температуру  мартенситного превращения, тем  при меньшем содержании водорода образуются трещины.

Отпуск сварных конструкций  снимает остаточные сварочные напряжения, улучшает структуру и свойства металла  шва, снижает твердость закаленных зон сварного соединения и устраняет  опасность образования холодных трещин со временем. Перерыв между  началом сварки и термической  обработкой устанавливают различный (от 30 мин до нескольких часов) в зависимости  от марки стали и склонности ее сварных соединений к замедленному разрушению. В тех случаях, когда  немедленное проведение высокого отпуска (местного с помощью ТВЧ или  общего в печи) затруднено, применяют  предварительно низкий стабилизирующий  отпуск при 250—300 ^°С с последующим высоким отпуском в печи. В некоторых случаях последующий высокий отпуск не применяют, если механические свойства соединений удовлетворяют эксплуатационным требованиям.

Склонность к горячим трещинам сварных швов углеродистых и легированных конструкционных сталей определяется следующими факторами:

1) химическим составом металла  шва, от которого зависит межкристаллитная  прочность и пластичность в  опасном температурном интервале  хрупкости (ТИХ);

2) величиной и скоростью нарастания  растягивающих напряжений и соответственно  деформаций в ТИХ;

3) величиной первичных кристаллитов;

4) формой сварочной ванны (шва), от которой зависит направление  роста столбчатых кристаллитов, характер их срастания и расположение  осей кристаллитов (или межкристаллитных  участков) относительно направления  растягивающих напряжений.

Элементами, обусловливающими образование  горячих трещин в металле углеродистых и легированных швов, являются, прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5 — 4,5%), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). Элементами, повышающими стойкость швов против трещин, нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром и ванадий.

Измельчение и дезориентирование структуры металла шва, предупреждение развития грубой дендритной структуры с ликвационными зонами за счет соответствующего легирования и приемов сварки — все это повышает сопротивляемость швов против разрушения в температурном интервале хрупкости.

Качественные конструкционные  стали, содержащие минимальное количество серы и фосфора (менее 0,035—0,025%), малочувствительны  к горячим трещинам. Однако с повышением содержания углерода выше 0,25% чувствительность к горячим трещинам заметно возрастает. При этом, чем ниже содержание легирующих элементов, препятствующих образованию кристаллизационных трещин, тем выше склонность к трещинообразованию при одном и том же содержании углерода. В швах среднеуглеродистых сталей склонность к горячим трещинам резко падает при легировании марганцем до 1,8—2,5%. С этих позиций применение марганцовистых сталей (10Г2А, 12Г2А и др.) той же прочности более желательно.

При сварке листов встык наиболее опасными местами появления горячих  трещин являются начало и конец шва. Наложение связи путем приварки технологических планок, заварка  концевых участков шва в направлении  от центра к краю свариваемых листов дозволяют предупредить образование  концевых трещин. Часто горячие трещины  появляются в прихватках. Более частые прихватки, наложение их с обратной стороны шва уменьшают опасность  образования трещин. Снижение растягивающих внутренних напряжений при охлаждений шва в ТИХ и, тем самым предупреждение горячих трещин может быть достигнуто путем уменьшения числа и сосредоточения швов при конструировании, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов и другими мерами. Предварительный подогрев является эффективным, особенно для высокоуглеродистых сталей. Температура подогрева колеблется от 150 до 500 ^°С в зависимости от химического состава металла шва (величины С_экв), конструкции и сечения деталей и других факторов.

Для снижения внутренних растягивающих  напряжений в ТИХ целесообразно  выполнять сварку такими методами, которые обладают наибольшей проплавляющей способностью при наименьшей погонной энергии (электронный луч, плазменная дуга, импульсная дуга, сварка с активирующими флюсами и др.). Стойкость против образования горячих трещин повышается при устранении концентраторов, вызванных формой шва и подготовкой кромок под сварку. Применение швов с остающимися подкладками, сварка «в замок», швы с непроваром и т. п. являются нежелательными. Сварка встык с полным проплавом наиболее предпочтительна.

В швах углеродистых и легированных конструкционных сталей может наблюдаться  пористость. Поры образуются вследствие чрезмерного насыщения жидкого  металла водородом или азотом, поступающим из среды, окружающей дугу, или из расплавляемого металла, и  последующего их выделения при кристаллизации металла. Образование пор возможно непосредственно перед началом  кристаллизации металла в результате запоздавшей реакции раскисления углеродом из-за недостатка в шве других раскислителей (Si, Мn, A1). Водород может попасть в зону сварки с маслом, влагой и ржавчиной при использовании влажных электродов, флюсов и защитных газов. Ухудшение защиты сварочной зоны от воздуха и связанная с этим возможность образования пор возрастают при увеличении зазоров между кромками и размеров зерен флюса, при повышении напряжения на дуге и увеличении скорости сварки.

Появление пор при сварке иногда обусловлено насыщением азотом поверхности  листов при их нагреве в специальных  безокислительных газовых защитных смесях в процессе металлургического производства. Особенно это) проявляется при сварке тонколистового металла без разделки кромок.

Некоторые особенности сварки

Среднеуглеродистые стали.

В сталях с содержанием углерода 0,30% и выше при быстром охлаждении металла в зоне термического влияния  образуется твердая мартенситная или  трооститная структура, значительно более хрупкая, чем основной металл, что создает опасность хрупкого разрушения как в процессе изготовления изделий (холодные трещины), так и при эксплуатации. С повышением углерода повышается также опасность образования пористости в сварных швах.

Для предупреждения трещин при сварке следует применять предварительный  подогрев, а после сварки — высокотемпературный  отпуск для восстановления пластичности сварного соединения и снятия внутренних напряжений. Для предупреждения пористости следует использовать специальные  электроды. Среднеуглеродистые стали  применяют для изготовления малонагруженных  изделий. Для повышения прочности  изделия из этих сталей после сварки иногда подвергают упрочняющей термической  обработке. Среднеуглеродистые стали  не являются оптимальными для сварных  конструкций. Вместо них целесообразно  использовать углеродистые стали, легированные марганцем, например, стали 10Г2А и 12Г2А, обеспечивающие получение сварных  соединений с прочностью 450—900МПа, стойких  против образования горячих и  холодных трещин, не требующих обязательной термической обработки после  сварки.

Высокоуглеродистые стали.

Склонность высокоуглеродистых сталей к хрупкости после воздействия  термического цикла сварки выражена значительно сильнее, чем в среднеуглеродистых сталях, и чувствительность их к  горячим и холодным трещинам значительно  выше. Поэтому обязателен предварительный  подогрев металла в месте сварки до 350—400 ^°С, и последующий отжиг желателен до того, как сварное изделие успеет остыть до 20 ^°С.

Легированные стали средней  прочности (от 900 до 1300МПа).

При изготовлении сварных изделий  из легированных сталей широкое применение получили стали перлитного класса типа ХГСА с меньшим или большим  содержанием углерода (25ХГСА, 30ХГСА) и сложнолегированные стали с  низким содержанием углерода (12Х2НВФА, 23Х2НВФА и др.). Конструкционные стали средней прочности перлитного класса в зависимости от вида термической обработки имеют следующие структуры: при отжиге — ферритно-перлитную; при закалке — мартенситную или троостомартенситную; при отпуске закаленной стали — троостомартенситную, трооститную, троостосорбитную и сорбитную.

Для изготовления сварных изделий  из сталей 25ХГСА и 30ХГСА с пределом прочности 1100—1300МПа после сварки применяют термическую обработку (закалку и отпуск). Изделия больших  габаритных размеров целесообразно  изготовлять из предварительно термически обработанных элементов. Для снятия внутренних напряжений после сварки применяют отпуск. Эти стали рекомендуется  использовать для ответственных  штампосварных конструкций. Стали 12Х2НВФА и 23Х2НВФА упрочняют путем термической  обработки (закалки в масле с  последующим отпуском или нормализации с отпуском).

Конструкционные легированные высокопрочные стали (предел прочности  более 1500-2000МПа).

Изготовление надежных сварных  изделий из высокопрочных легированных сталей (30ХГСНА, 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА и др.) затрудняется из-за опасности  образования холодных трещин, а также  повышенной чувствительности этих сталей к концентраторам напряжений при  статических и особенно при динамических нагрузках. Сварные конструкции следует проектировать с наименьшей концентрацией напряжений. Все радиусы перехода от одного сечения детали к другому должны быть максимальными (предельно допустимыми из конструктивных соображений).

Для повышения прочности при  повторных статических нагрузках  необходимо создавать плавные переходы от шва к основному металлу. Даже для стыкового сварного соединения целесообразно удалять усиление сварного шва и особенно проплав  сварного шва, имеющий более крутой переход от шва к основному  металлу. Наличие остающихся подкладок  в равнопрочных сварных соединениях  не допускается. В тех случаях, когда  механическая обработка внутренней поверхности деталей для зачистки проплава невозможна, следует производить  комбинированную сварку без остающейся подкладки. При этом первый слой шва  выполняют автоматической аргонодуговой  сваркой неплавящимся электродом без  присадки с обеспечением 100% равномерного проплавления по всей длине шва. Последующие  слои наносят одним из методов  сварки плавящимся электродом.