Технология сварки алюминия и его сплавов.

Сварочные напряжения и деформации

Высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них напряжений и деформаций, которые существенно затрудняют производство сварных конструкций и ухудшают их качество. С целью снижения сварочных напряжений и деформаций используются специальные приемы, соответствующим образом строится процесс сборки и сварки конструкций.

Остаточные напряжения и деформации разной степени возникают при структурных превращениях металла в зоне термического влияния сварного соединения. Возникновение такого состояния обусловлено тем, что в металле появляются участки с ярко выраженными измененными объемами, например мартенситное превращение сопровождается значительным увеличением объема. Такое местное изменение объема металла при сохранении объемов рядом расположенных участков и приводит к возникновению внутренних структурных напряжений.

Величина и распределение напряжений и деформаций зависят от многих факторов, в том числе от жесткости свариваемой конструкции и толщины металла. При сварке тонкого листа (до 5—6 мм) проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения малы. Сварка металла средней толщины (до 16—20 мм) сопровождается также существенными деформациями, при этом с увеличением толщины в большей степени начинают проявляться сварочные напряжения. При сварке толстого металла (более 16—20 мм) основным фактором является возникновение значительных напряжений, деформации при этом невелики.

Технология сварки чугуна.

Свойства и структура чугуна. К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2, 11%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы, фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа РезС — цементит. В серых чугунах зна­чительная часть углерода находится в структурно-свободном со­стоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твер­достью и режущим инструментом обрабатываться не могут. По­этому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высоко­прочные (с шаровидным графитом) и ковкие

Свариваемость чугуна. Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказы­вается весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна имеет большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, ремонта чугун­ных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно обладать необходимым уровнем механических свойств, плотностью и удовлетворительной обрабатываемостью.

Причины, затрудняющие получение качественных сварных соединений, следующие:

1) высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу свар­ки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом;

2) вследствие местного неравномерного нагрева металла воз­никают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначи­тельной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне. Наличие отбеленных участков, имеющих большую плотность (7, 4-7, 7 г/см3), чем серый чугун (6, 9-7, 3 г/см3), создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию;

3) интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва;

4) повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет формирование шва и удержание расплавленного металла от вытекания.

В зависимости от способов преодоления трудностей существуют три технологических направления сварки чугуна:

1) технология, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;

2) технология, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;

3) технология, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва чугуна. Наиболее радикальным способом борьбы с образова­нием отбеленных и закаленных участков и возникновением тре­щин является предварительный подогрев. Если температура предварительного подогрева находится в пределах 600-650 °С, сварку называют горячей; если Т1т — 400-450 °С, сварку называют полугорячей. При отсутствии подогрева сварка называется холодной.

Технологический процесс горячей сварки состоит из следующих операций: подготовка изделия под сварку; предварительный подогрев деталей; сварка; последующее охлаждение.

Подготовка под сварку зависит от вида исправляемого дефекта. Однако во всех случаях подготовка дефектного места заключается в тщательной очистке от загрязнений и в разделке для образования полостей, обеспечивающих доступность для манипулирования электродом и воздействия сварочной дуги. Для предупреждения вытекания жидкотекучего металла сварочной ванны, а в ряде случаев для придания наплавленному металлу соответст­вующей формы место сварки формуют. Формовку выполняют в зависимости от размеров и местоположения исправляемого дефекта с помощью графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, состоящей из кварцевого песка, замешенного на жидком стекле, или другими формовочными материалами.

После формовки необходима просушка формы при посте­пенном подъеме температуры от 60 до 120 °С, затем проводят дальнейший подогрев под сварку со скоростью 120-150 °/ч — в печах или временных нагревательных устройствах. Замедленное охлаждение после сварки достигается при укрывании изделий теплоизолирующим слоем (листами асбеста, засыпкой песком, шлаком и др.) или при охлаждении вместе с печами.

Способы нагрева и нагревательные устройства применяют в зависимости от характера производства. Например, при массовом производстве в литейных цехах автомобильных и тракторных заводов целесообразно использовать конвейерные печи; для ремонтных работ удобен нагрев в муфельных печах или в горнах с открытым кожухом; для разовых ремонтных работ крупногабаритных изделий изготовляют временные нагревательные устройства из огнеупорного кирпича. Для горячей сварки используются плавящиеся электроды со стержнями из чугуна марок А или Б.

В состав покрытия, наносимого на литые прутки диаметром 5-20 мм, входят стабилизирующие и легирующие материалы. В качестве последних обычно используют графит, карборунд, ферросилиций, силикокальций, силикомагний и др., содержащие элементы-графитизаторы. Горячую сварку чугуна выполняют на больших силах тока (/св = (60 -г 100)йэ) без перерывов до конца заварки дефекта. При больших объемах завариваемого дефекта работают поочередно два сварщика. Электрододержатель для го­рячей сварки должен обеспечивать хороший контакт с чугунным электродом и иметь щиток для защиты руки сварщика от теплового ожога.

Горячая сварка чугуна позволяет получать сварные соеди­нения, равноценные свариваемому металлу (по механическим характеристикам, плотности, обрабатываемости и др.), однако это трудоемкий и дорогостоящий процесс. Вместе с этим в ряде слу­чаев к сварным соединениям чугуна не предъявляются высокие требования. Часто, например, достаточно обеспечить только равнопрочность или только хорошую обрабатываемость или плотность сварных швов. С помощью различных металлургических и технологических средств можно получить сварные соединения чугуна с теми или иными свойствами при сварке с невысоким подогревом или вовсе без предварительного подогрева (т.е. с помо­щью полугорячей или холодной сварки).

В этом случае для предупреждения отбеливания необходимо обеспечить такой состав металла шва, для которого в этих усло­виях будет получаться структура серого чугуна с наиболее благоприятной формой графитных включений. Это может быть достиг­нуто путем введения в наплавленный металл достаточно большого количества графитизаторов и легирования чугуна элементами, способствующими сфероидизации карбидов, например магнием.

При сварке этими электродами чугунных деталей с толщи­ной стенки до 12 мм без предварительного подогрева удается получить швы и околошовную зону без отбеливания и закалки. Некоторому замедлению скорости охлаждения способствует реакция между железной окалиной и алюминиевым порошком, протекающая с выделением теплоты. При сварке этими электродами массивных деталей для получения бездефектных сварных соединений приходится их подогревать до температуры 400 °С в зависимости от толщины чугуна и жесткости изделий.

Полуавтоматическая горячая, полугорячая и холодная сварка осуществляется обычно порошковыми проволоками ПП-АНЧ-1, ПП-АНЧ-2; ПП-АНЧ-3 и др. Проволоки содержат комплекс модифицирующих элементов, которые вводят в шихту в виде лига­туры на основе кремния.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали. Если выполнить наплавку на чугун электродами, предназначенными для сварки углеродистых или низколегированных конструкционных сталей, то в первом слое даже при относительно небольшой доле участия основного металла получится высокоуглеродистая сталь, которая при скоро­стях охлаждения, имеющих место в условиях сварки без предва­рительного подогрева изделия, приобретает резкую закалку. По­этому металл первого слоя будет иметь высокую твердость, низкую деформационную способность и окажется подверженным образованию трещин, а также пористости. Во втором слое, естест­венно, доля участия чугуна уменьшится, однако содержание углерода в нем будет находиться еще на высоком уровне, что также приведет к закалке и возможному образованию трещин. В после­дующих слоях доля участия чугуна окажется незначительной и металл шва будет обладать определенным уровнем пластичности.

В связи со сказанным стальные электроды можно применять только для декоративной заварки небольших по размерам дефектов, если к сварному соединению не предъявляются требо­вания обеспечения прочности, плотности и обрабатываемости ре­жущим инструментом. С целью уменьшения доли участия основ­ного металла в шве, а также размеров зоны термического влияния, в том числе и участков отбеливания и закалки, приме­няют электроды небольших диаметров (для первого слоя — 3 мм, для второго и последующих — 3-4 мм), на малых токах (/св = (20 4- 25)с? э), не перегревая основной металл.

При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродами обще­го назначения наиболее слабое место сварного соединения — око­лошовная зона у границы сплавления. Хрупкость этой зоны и на­личие в ней трещин нередко приводят к отслаиванию шва от основного металла. Для увеличения прочности сварного соедине­ния, когда к нему не предъявляется других требований (напри­мер, при ремонте станин, рам, кронштейнов и других несущих элементов толстостенных конструкций), применяют стальные шпильки, которые частично разгружают наиболее слабую часть сварного соединения — линию сплавления.

Однако более рационально применение специальных элек­тродов, позволяющих ввести в металл шва сильный карбидообра-зователь — ванадий. В этом случае в шве образуются карбиды данного элемента, не растворяющиеся в железе и имеющие форму мелкодисперсных нетвердых включений. Металлическая основа при этом оказывается обезуглероженной и достаточно пластич­ной.

Область применения таких электродов — сварка повреж­денных деталей и заварка дефектов в отливках из серого и высо­копрочного чугуна. В случае необходимости можно также свари­вать соединения серого и высокопрочного чугуна со сталью. Сварные соединения, выполненные этими электродами, имеют удовлетворительную обрабатываемость, плотность и достаточно высокую прочность. К способам, обеспечивающим получение в наплавленном металле низкоуглеродистой стали, можно также отнести механизированную сварку короткими участками элек­тродной проволокой марок СвОВГС или Св08Г2С диаметром 0, 8-1 мм в углекислом газе. Сила сварочного тока составляет 50-75 А, напряжение дуги 18-21 В, скорость сварки 10-12 м/ч.

Технология сварки, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов. Для получения швов, обладаю­щих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавлен­ном металле сплавов на основе меди и никеля. Медь и никель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве умень­шает растворимость углерода в железе и способствует графитиза-ции. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, приле­гающую к шву, они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, пластичность металла шва способствует частичной релакса­ции сварочных напряжений и поэтому снижается вероятность об­разования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медно-железные, медно-никелевые и железо-никелевые электроды.

Существует несколько типов медно-железных электродов: 1) медный стержень с оплеткой из жести толщиной 0, 25-0, 3 мм, которую в виде ленты шириной 5-7 мм навивают на стержень по винтовой линии. На электрод наносят ионизирующее или толстое покрытие. Электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной проволоки, представляющий собой сердечник

из стальной проволоки, плотно запрессованный в медную трубку, изготовляют на станках для производства порошковой проволоки. Может быть также и другой вариант: медный сердечник со стальной оболочкой. Во всех разновидностях содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10-15%, так как в противном случае в шве образуются очень твердые включения железа с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва;

2) пучок электродов, состоящий из одного или двух медных стержней и стального электрода с защитным покрытием любой марки. Пучок связывают в четырех-пяти местах медной проволо­кой и на конце, вставляемом в электрододержатель, прихватыва­ют для надежного контакта между всеми стержнями;

3) наиболее совершенные из числа медно-железных элек­тродов — электроды марок ОЗЧ-2, ОЗЧ-6, представляющие собой медный стержень диаметром 4-5 мм, на который нанесено покры­тие, состоящее из сухой смеси покрытия УОНИ 13 (50%) и же­лезного порошка (50%), замешенных на жидком стекле.

Медно-железный сплав в шве получается также при сварке медными электродами по слою специального флюса, который со­стоит из прокаленной буры (50%), каустической соды (20%), же­лезной окалины (15%) и железного порошка (15%). Флюс насы­пают слоем толщиной около 10 мм, расплавляют дугой; далее по мере перемешивания дуга горит между медным электродом и расплавленным флюсом.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспе­чивающих стабильное горение дуги, короткими участками враз­брос, с перерывами для охлаждения свариваемых деталей.

Основное преимущество этих электродов — возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений. Проковка обязатель­на, так как при этом уменьшается опасность образования трещин в околошовной зоне.

Общий недостаток медно-железных электродов — неодно­родная структура шва: мягкая медная основа и очень твердые включения железной составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной по­верхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладают швы, выполненные электродами марки АНЧ-1, стержень которых со­стоит из аустенитной стали марки Св 04Х18Н9 и медной оболоч­ки. На электрод наносят покрытие основного типа.

Наиболее рационально применять медно-железные электро­ды для заварки отдельных несквозных дефектов или небольших неплотностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе работающих под давлением (фланцы, подшип­ники).

Медно-никелевые электроды в производстве применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживае­мых в процессе механической обработки чугунного литья на ра­бочих поверхностях, где местное повышение твердости недопус­тимо. Положительные свойства таких электродов в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлажде­ния. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размерах практически отсутствует, так как медь и никель — элементы-графитизаторы, проникая в этот участок, оказывают положительное действие; в то же время никель и железо облада­ют неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению.

Для изготовления электродов используют и медно-никелевые сплавы: монель-металл, содержащий 65-75% N1, 27-30% Си, 2-3% Ре и 1, 2-1, 8% Мп (например, НМжМц 28-2, 5-1, 5); электроды МНЧ-2.

Недостатки этих сплавов — их высокая стоимость и дефицитность, а также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Горячие трещины иногда имеют вид сплошной сетки, что снижает прочность сварного соединения. В связи с этим данные сплавы не рекомендуется применять для заварки трещин в изделиях, которые несут силовую нагрузку. Заварка же отдельных мелких раковин позволяет получить хорошие резуль­таты, так как обеспечивает возможность последующей механической обработки.

Сварку выполняют электродами диаметром 3-4 мм, ниточным швом, короткими участками при возвратно-поступательном движении электрода, не допуская перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы для охлаждения. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых поверхностях отливок ответственного назначения' из серого и высокопрочного чугуна и при ремонте оборудования из чугунного литья используют также железоникелевые электроды со стержнем из сплава, содержащего 40-60% N1 и 60-40% Ре.

При сварке такими электродами обеспечивается достаточно высокая прочность и некоторая вязкость металла шва. Железоникелевые электроды обладают определенными преимуществами, к числу которых, кроме высокой прочности, можно отнести меньшую, чем у медно-никелевых сплавов, литейную усадку, одноцветность наплавки с чугуном. Примером электродов такого типа могут служить электроды марки ОЗЖН-1 со стержнем из

проволоки Св08Н50 и покрытием из доломита (35%), плавикового шпата (25%), графита черного (10%) и ферросилиция (30%), замешенных на жидком стекле. Применяются также электроды на никелевой основе ОЗЧ-З, ОЗЧ-4. Режимы ручной сварки чугуна различными электродами приведены в табл. 6.38.

В последнее время для холодной сварки чугуна получила распространение самозащитная проволока на никелевой основе ПАНЧ-11. Это проволока обеспечивает аустенитную структуру шва и хорошие механические свойства сварного соединения.

 

 

Сварка аустенитных сталей

Аустенитные стали - наиболее многочисленная группа высоко­легированных сталей. Дополнительно стали легируются молибденом, ванадием, титаном, ниобием. Они содержат неболь­шое количество углерода - до 0, 20 %, имеют прочность на уровне

Вследствие того что в исходном состоянии структура стали аустенитная, а также из-за наличия большого количества легирующих элементов некоторые физические свойства аустенитных сталей существенно отличаются от свойств углеродистых сталей, что оказы­вает влияние на процесс сварки. Стали аустенитного класса имеют теплопроводность, которая примерно в четыре раза ниже, чем у низкоуглеродистых, а коэффициент линейного расширения в 1, 5 раза выше. При сварке это приводит к более неравномерному нагреву, увеличению деформаций и напряжений.

Стали аустенитного класса имеют высокое электрическое со­противление (в 3-5 раз выше, чем у низкоуглеродистых сталей), что вызывает более сильный нагрев электрода при ручной сварке или вылет проволоки при механизированных способах сварки. Аустенитные стали неферромагнитны, что позволяет магнитными способами осуществлять их сортировку.

Остановимся на основных трудностях, встречающихся при сварке сталей данного структурного класса.

Первой сложностью является повышенная склонность аусте­нитных сталей к образованию кристаллизационных трещин, что объясняется следующими причинами:

однофазной структурой шва, которая способствует беспрепят­ственному росту кристаллов и снижению пластичности;

увеличенной литейной усадкой расплавленного металла шва, что вызвано повышенным коэффициентом линейного расширения;

значительными растягивающими напряжениями, которые свя­заны с неравномерным нагревом металла, вызванным пониженной теплопроводностью стали;

многокомпонентным легированием, которое увеличивает веро­ятность попутного попадания в шов элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик (S; Р; Рв; Zn и др.)

Основные направления борьбы с кристаллизационными трещи­нами при сварке аустенитных сталей следующие.

1. Создание в шве двухфазной аустенитно-ферритной структу­ры. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и феррита приводит к измельчению и дезориентации структу­ры, т.е. уменьшению сечения столбчатых кристаллов и утончению межкристаллитных прослоек, разделенных участками первичного 5-феррита. Уже 3-5 % феррита достаточно, чтобы вероятность об­разования кристаллизационных трещин уменьшилась. Двухфаз­ную структуру получают за счет использования сварочных прово­лок, дополнительно легированных элементами-ферритизаторами, обычно хромом. Однако стремление получить аустенитно-ферритную структуру на глубоко аустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, требует введения большого количества ферритообразующих элементов, что может привести к потере пластичности в результате образования хрупких интерметаллидов хрома. Для таких Деталей целесообразно легирование проволоки NB и Ti, которые образуют мелкодисперсные карбиды, препятствующие росту зерна.

2. Ограничение в основном и наплавленном металле вредных (сера, фосфор) и ликвирующих (свинец, олово, висмут) примесей, а также га­зов кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение при сварке постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, чтобы предупредить под­сос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и вы­бирать оптимальными скорость сварки и расход защитного газа. Необходимо также применять меры к удалению влаги из флюса или по­крытия электродов, выполняя их необходимую прокалку.

3. Регулирование процесса кристаллизации шва, что может осуществляться различными способами. Во-первых, необходимо правильно выбирать форму шва, что влияет на направление роста кристаллов. Направление роста кристаллов не должно совпадать с направлением действия растягивающих напряжений, как это проис­ходит для узких и глубоких швов. Кроме того неблагоприятная форма шва влияет на ликвацию примесей, вследствие чего они сосредоточиваются в цен­тре шва и ослабляют его, поскольку являются источником образо­вания легкоплавких эвтектик. Во-вторых, при полуавтоматической сварке целесообразны поперечные колебания проволоки, что изменяет схему кристаллизации и уменьшает вероятность трещин. В-третьих, при автоматической сварке целесообразно использовать электромагнитное перемешивание сварочной ванны (ЭМП). При ЭМП на жидкую сварочную ванну воздействуют переменным магнитным полем, вследствие чего в расплавленном металле возникают вихревые токи. Взаимодействуя с магнитным полем, они заставляют металл перемещаться, что затрудняет беспрепятственный РОСТ кристаллов и измельчает зерно.

4. Уменьшение силового фактора (растягивающих напряжений), го в результате термического цикла сварки. Снижение Действия достигается уменьшением тока по сравнению со сваркой углеродистых сталей на 10—30 %, заполнением разделки швами небольшого сечения и устранением жестких закреплений свариваемых кромок.

Второй сложностью при сварке аустенитных сталей является возможная потеря коррозионных свойств сварными швами. Это может произойти в результате взаимодействия хрома с углеродом и образования карбида хрома Сг₂₃С₃ Эта реакция особенно интенсивно происходит при температурах 600—750°С, вследствие чего пограничные слои зерен обедняются хромом. Его может стать меньше 12 %, после чего коррозионная стойкость резко падает (см.рис. 6.17). Основными направлениями борьбы с потерей коррозионных свойств являются следующие.

1. Уменьшение содержания углерода в основном металле и ме­талле шва до 0, 02-0, 03 %, что предотвращает образование карбидов хрома. Таким образом, наибольшей коррозионной стойкостью обладают аустенитные стали и швы, содержащие минимальное ко­личество углерода.

2. Дополнительное легирование шва титаном, ниобием, ванади­ем за счет большего содержания этих элементов в сварочной прово­локе, чем в стали. Обладая большим сродством к углероду, Ti, NB, V вступают с ним в реакцию и предотвращают образование карби­дов Сг. Этим обеспечивается его необходимое содержание в шве и коррозионная стойкость не нарушается.

3. Применение высоких скоростей охлаждения швов в интерва­ле температур 600-800°С, при которых происходит интенсивное образование карбидов хрома. Это позволяет снизить время пребы­вания шва и околошовной зоны при данных температурах. Осуще­ствляется за счет ограничения сварочного тока, уменьшения разме­ров швов, принудительного охлаждения.

4. Проведение термообработки - закалки или отжига. При температуре Т> 800°С карбиды хрома растворяются. В большинстве случаев при сварке аустенитных сталей термообработка не требуется. Ее применяют тогда, когда в состоянии после сварки соедине­ния проявляют склонность к межкристаллитной или ножевой кор­розии либо предназначены для работы в условиях, вызывающих коррозионное растрескивание.

Аустенитные стали свариваются различными способами: руч­ной сваркой, под флюсом, в среде защитных газов, электрошлаковой сваркой.

Ручная сварка широко используется при монтаже химического и энергетического оборудования. Сила тока, как уже отмечалось, на 10-30 % ниже, чем для углеродистых сталей. Используются электроды с основным покрытием. Химический состав стержня электрода соответствует химическому составу стали, но содержит, как правило, больше хрома и меньше никеля для обеспечения двухфазной аустенитно-ферритной структуры шва. Некоторые марки электрода имеют повышенное содержание ниобия, титана или ванадия.

Длина электрода для сварки аустенитных сталей меньше, чем для углеродистых, так как стержень имеет повышенное электрическое сопротивление и в процессе сварки сильно нагревается. Это может привести к отслоению покрытия.

Сварка под флюсом является одним из основных способов сварки аустенитных сталей, поскольку имеет преимущества перед ручной сваркой по производительности процесса и стабильности свойств сварного соединения. Широко применяется при изготовле­нии емкостей в нефтяной и химической промышленности. При сварке используются безокислительные низкокремнистые фторид-ные и высокоосные флюсы, создающие в зоне сварки безокисли­тельные или малоокислительные среды, способствующие мини­мальному угару легирующих элементов. Проволоки используются меньшего диаметра, чем при сварке углеродистых сталей, обычно 2—3 мм, что необходимо для получения швов небольших размеров. Вылет электрода уменьшается в 1, 5-2 раза в результате повышен­ного электросопротивления проволок. Легирование шва осуществ­ляется в основном через проволоку (табл. 6.28).

В качестве защитных газов используется аргон или углекислый газ, а также их смеси. Сварку неплавящимся электродом в аргоне экономически целесообразно применять для малых толщин - до 5—6 мм. Часто этим способом сваривается корневой или подвароч-ный шов перед односторонней сваркой под флюсом.

При сварке в СО2 происходит науглероживание металла шва и снижается стойкость против межкристаллитной коррозии вследст­вие образования карбидов Сг. Одновременно ркислительная атмо­сфера, создаваемая в дуге за счет диссоциации углекислого газа, способствует угару до 50 % титана и алюминия. В связи с этим сва­рочная проволока должна содержать большее количество карбидо-образующих элементов — титана, ниобия. Усложняет процесс свар­ки в СО2 и повышенное разбрызгивание, при котором происходит Достаточно сильное прилипание брызг. Места падения брызг, а также зоны плотного сцепления окисных пленок с металлом могут стать очагами коррозии.

Сварка ферритных сталей

К ферритному классу относятся стали с содержанием Сг> 17 % при одновременном отсутствии никеля и малом содержании углеро­да (С< 0, 15 %). По коррозионной стойкости они не уступают аустенитным, но превосходят их по жаростойкости. Они предназначены для работы в условиях малого нагружения и хорошо противостоят коррозионному растрескиванию при соприкосновении с агрессив­ными газами при высокой температуре. Ферритные стали применя­ются в химической, энергетической, пищевой промышленности. Основная трудность при сварке - снижение ударной вязкости металла под действием высоких температур, которое происходит в первую очередь из-за интенсивного роста зерна, обу­словленного однофазной ферритной структурой. Наиболее круп­ные зерна находятся на участке перегрева сварного соединения. Здесь величина зерна может достигать в сечении 1мм. Протяжен­ность участка с пониженной ударной вязкостью распространяется на 2-3 мм, непосредственно примыкающих к линии сплавления и подверженных нагреву выше температуры 1100°С. В результате этого сварное соединение имеет склонность к охрупчиванию, осо­бенно при переменных и ударных нагрузках, а также при отрица­тельных температурах.

Основными способами предотвращения охрупчивания являют­ся создание в шве двухфазной структуры и легирование металла энергичными карбидообразующими элементами.

Двухфазная аустенитно-ферритная структура имеет более мел­кое и дезориентированное зерно, что обеспечивает более высокую пластичность сварного соединения. Создание в шве двухфазной структуры осуществляется обычно за счет применения сварочных проволок, легированных никелем.

Легирование шва карбидообразующими элементами Ti и NB, имеющими большее сродство к углероду, чем хром, приводит к образованию карбидов Ti и NB, имеющих высокую температуру плав­ления. Располагаясь по границам зерен, карбиды препятствуют их росту и, таким образом, делают структуру более мелкозернистой. Одновременно происходит предотвращение образования карбидов хрома, что способствует повышению коррозионных свойств.

Термическая обработка высокохромистых сталей не обеспечи­вает измельчения зерна и применяется редко. В некоторых случаях высокий отпуск позволяет улучшить коррозионные свойства стали, несколько уменьшить остаточные напряжения.

Технология сварки алюминия и его сплавов.

 В сварных конструкциях используют чистый алюминий и его сплавы: АМц — алюминиево-марганцевый, АМг — алюми-ниево-магниевый, Д1 — алюминиево-магниево-медный (дюраль), АК — алюминиево-кремнистый, В95 — алюминиево-магниево-цинковый. Сплавы можно разделить на две группы: деформируе­мые, применяемые в виде проката, поковок и т.п., и литейные, применяемые для отливок. Сварку алюминиевых литейных спла­вов (обозначение АЛ) используют при исправлении дефектов ли­тья. Деформируемые сплавы разделяют на нетермоупрочняемые и термоупрочняемые. Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожженном состоянии и по­этому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпаде­ния интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется. Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно, за исключением случаев, когда возможна термообработка изделия.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие.

1. Образование тугоплавкого оксида А12О3 (Тпл = 2050 °С) с плотностью больше, чем у алюминия, что затрудняет сплавле­ние кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и прилегающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла травлением или механическим путем.

Оксидную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо применяя флюсы, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминия. Поэтому при исполь­зовании флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлаки горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать через корень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожогов при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроходных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышенную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов, сварку полотнищ и секций произ­водить на специальных стендах. Ввиду высокой теплопроводности алюминия приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали и т.п.).

4. Необходима самая тщательная химическая очистка сва­рочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание сва­риваемых кромок, так как сварку осложняет не только окисная пленка. В связи с резким повышением растворимости газов в на­гретом металле и задержкой их в металле при его остывании воз­никает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Предварительный и сопутствующий подогрев до темпера­туры 150-250 °С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. Наибольшей склонно­стью к порам обладают сплавы типа АМг.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желателен подогрев начальных участков шва до температуры 120-150 °С или применение сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).

При сварке сплавов системы А1-2п-М^ возможно замедленное разрушение — образование холодных трещин через некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напряжений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Алюминий и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки: покрытыми электродами, плавящимся и неплавящимся электродом в среде инертных газов, под слоем флюса, электрошлаковой сваркой. Наиболее важное значение в настоящее время имеет сварка в инертных газах.

В среде инертных газов сварку выполняют неплавящимся (вольфрамовым) и плавящимся электродами. Вольфрамовые электроды лантанированные или иттрированные. Инертные газы: аргон 1-го и 2-го сортов, гелий повышенной чистоты и смеси аргона с гелием. Сварка вольфрамовым электродом диаметром 2-6 мм целесообразна для металла толщиной до 12 мм. Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алюминия — проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг — проволоки той же марки, но с увеличенным (на 1-1, 5%) содержанием магния для компенсации его угара. Диаметр присадочных проволок 2-5 мм.

Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на переменном токе на установках типа УДГ-300, УДГ-500 при расходе аргона 6-15 л/мин. Сварку можно выполнять не только в аргоне, но и в гелии, при расходе гелия в 1, 8-2, 2 раза выше, чем аргона. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15-20 В, при сварке в гелии 25-30 В.

Производительность сварки вольфрамовым электродом можно повысить в 3-5 раз, если использовать трехфазную дугу. Это повышает мощность источника и позволяет за один проход (на подкладке) сваривать металл толщиной до 30 мм.

Совокупность трех дуг — двух зависимых (горящих между электродами и изделием) и одной независимой (горящей между вольфрамовыми электродами) — позволяет нагревать металл непрерывно, так как постоянно существует одна из разновидностей дуг.

Сварка плавящимся электродом возможна в чистом аргоне либо в смеси из аргона и гелия (до 70% Не) на постоянном токе обратной полярности проволокой диаметром 1, 5-2, 5 мм. Разделка кромок У-образная и Х-образная с углом раскрытия 70-90° либо рюмкообразная, притупление 6 мм. Такое раскрытие кромок не­обходимо для размещения в разделке наконечника горелки.

Механизированная сварка плавящимся электродом может быть выполнена с использованием фторидно-хлоридных флюсов марок АН-А1 и АН-А4. Флюс марки АН-А1 используют для свар­ки технического алюминия, флюс марки АН-А4, не содержащий КаС1, — для алюминиево-магниевых сплавов. Для сплавов этого типа наличие ЫаС1 во флюсе недопустимо, так как за счет магния и алюминия из флюса восстанавливается натрий, он попадает в шов, в результате в металле возникает пористость и снижается пластичность.

Механизированную сварку листов ведут по слою флюса, так как даже нерасплавленный флюс обладает большой электропро­водностью, шунтирует дугу и нарушает стабильность процесса. Толщина и ширина слоя насыпаемого флюса зависят от толщины свариваемого металла (обычно 10-16 мм). С обратной стороны шва для предотвращения протеков жидкого металла необходима стальная формирующая подкладка.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применя­ют при толщине металла свыше 4 мм, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности, как правило, без поперечных колебаний.При сварке технически чистого алюминия и сплавов АМг металлический стержень электрода изготовляют из проволок состава, близкого к составу основного металла (электроды ОЗА-1). Для сплавов типа АМг следует применять проволоку с повышен­ным содержанием магния (1, 5-2%) для компенсации его угара при сварке.

 

 

12345678Следующая ⇒

Поделиться: