Техника и технология ручной дуговой сварки металлическими электродами

Ручная дуговая сварка металлическими электродами выполняется в следующем порядке:

Металлический электрод вставляют в электрододержатель, к которому подключен кабель, включают источники питания сварочной дуги. Зажигают сварочную дугу касанием электрода об изделие.

Теплотой сварочной дуги расплавляются покрытие и металлический стержень электрода и основной металл – образуется сварочная ванна. Расплавляющийся стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну, в сварочной ванне расплавленный электродный металл соединяется с расплавленным металлом свариваемого изделия, а расплавленный шлак всплывает на поверхность сварочной ванны, защищая ее от внешней среды.

 

Классификация сталей по свариваемости

При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей приведены ниже.

Углерод (С) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0, 25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание " С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера (S) и фосфор (P) – вредные примеси. Повышенное содержание " S" приводит к образованию горячих трещин – красноломкость, а " P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание " S" и " P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0, 4÷ 0, 5%.

Кремний (Si) присутствует в сталях как примесь в к-ве до 0, 3% в качестве раскислителя. При таком содержании " Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании " Si" – до 0, 8÷ 1, 0% (особенно до 1, 5%) возможно образование тугоплавких оксидов " Si", ухудшающих свариваемость.

Марганец (Mn) при содержании в стали до 1, 0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием " Mn" в к-ве 1, 8÷ 2, 5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром (Cr) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0, 3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0, 7÷ 3, 5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0, 3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является пре­валирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Ванадий (V) в легированных сталях содержится в количестве 0, 2÷ 0, 8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.

Молибден (Мо) в сталях ограничивается 0, 8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.

Титан и ниобии (Ti и Nb) в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.

Медь (Си) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0, 3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0, 15 до 0, 5%) и как легирующий элемент (до 0, 8÷ 1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

При оценке влияния химического состава на свариваемость стали, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. Для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость:

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Си/15 (метод МИС);

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод);

[С]_Х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),

где цифры указывают содержание в стали в массовых долях процента соотвтствующих элементов.

Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эквивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой технологии сварки. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана.

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (табл. 1.1).

К первой группе относят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]_Х≤ 0, 38), сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного металла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой. Для конструкций, работающих в условиях статических нагрузок, термообработку после сварки не производят. Для ответственных конструкций, работающих при динамических нагрузках или высоких температурах, термообработка рекомендуется

Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_х=0, 39÷ 0, 45), при сварке которых в нормальных условиях производства трещин не образуется. В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Для отливок из стали 30Л обязателен отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск)

 

Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости.

Группа свариваемости	ГОСТ	Марка стали
Хорошо сваривающиеся	380-94*	Низкоуглеродистые Ст1÷ Ст4 (кп, пс, сп)
1050-88	08÷ 25 (кп, пс)
803-81	11ЮА, 18ЮА
4041-71	08Ю, 25пс
Хорошо сваривающиеся	5520-79	15К, 16К, 18К, 20К, 22К
5521-93	А, А32, А36, А40, В, Д, Д32, Д36, Д40, Е, Е32, Е36, Е40
5781-82	10ГТ
977-88	15Л, 20Л, 25Л
4543-71	Низколегированные 15Г, 20Г, 25Г, 10Г2, 12ХН, 12ХН2, 15Н2М, 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 20Н2М
19281-89	09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 10Г2Б, 10Г2БД, 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1, 09Г2СД, 10Г2С1Д, ЮХСНД, ЮХНДП, 14Г2АФ, 14Г2АФД, 15ГФД, 15ХСНД
977-88	08ГДНФЛ, 12ДН2ФЛ, 13ХДНФТЛ
Удовлетворительно сваривающиеся	380-94*	Углеродистые Ст5 (пс, сп), Ст5Гпс
1050-88
977-75	30Л
4543-71	Легированные 16ХГ, 18ХГТ, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГСА, 20ХГР, 20ХН, 20ХНР, 12ХН3А, 20ХН2М
19281-89	15Г2АФДпс, 16Г2АФД, 15Г2СФ, 15Г2СФД
10702-78**	20Г2С
5781-82	18Г2С, 25Г2С
977-88	20ГЛ, 20ГСЛ, 20ФЛ, 20Г1ФЛ, 20ДХЛ, 12ДХН1МФЛ
Ограниченно сваривающиеся	380-94*	Углеродистые Ст5 (пс, сп), Ст5Гпс
1050-88	35, 40, 45
977-88	35Л 40Л, 45Л
4543-71	Легированные 25ХГСА, 29ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 20ХН4А, 25ХГМ, 35Г, 35Г2, 35Х, 40Х, 33ХС, 38ХС, 30ХГТ, 30ХРА, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХГСА, 25ХГНМТ, 30ХГНЗА, 20Х2Н4А
11268-76	12Х2НВФА
977-88	35ГЛ, 32Х06Л, 45ФЛ, 40ХЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ХГСНДМЛ, 30ХГСФЛ, 23ХГС2МФЛ
Плохо сваривающиеся	1050-88	Углеродистые 50, 55
977-88	50Л, 55Л
4543-71	Легированные 50Г, 45Г2, 50Г2, 45Х, 40ХС, 50ХГ, 50ХГА, 50ХН, 55С2, 55С2А, 30ХГСН2А и др.
11268-76	23Х2НВФА
10702-78**	38ХГНМ
5950-2000	9Х, 9X1
977-88	30ХНМЛ, 25Х2Г2ФЛ
1435-99	У7÷ У13А
*ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94). ** В Украине отменен.

В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь подвергают местному нагреву. Термообработка после сварки разная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов стали, содержащей более 0, 35% углерода, для улучшения механических свойств и обрабатываемости необходима термическая обработка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали).

К третьей группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_Х=0, 46÷ 0, 59) перлитного класса, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. Свариваемость этой группы сталей обеспечивается при использовании специальных технологических мероприятий, заключающихся в их предварительной термообработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для деталей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск).

Без предварительного подогрева такие стали можно сваривать в случаях, когда соединения не имеют жестких контуров, толщина металла не более 14мм, температура окружающей среды не ниже +5°С и свариваемые соединения имеют вспомогательный характер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный подогрев до температуры 200°С.

Термообработка данной группы сталей назначается по режиму, выбираемому для конкретной стали.

К четвертой группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_х≥ 0, 60) перлитного класса, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. При сварке этой группы сталей с использованием рациональных технологий не всегда достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Перед сваркой такая сталь должна быть отожжена. Независимо от толщины и типа соединения сталь необходимо предварительно подогреть до температуры не ниже 200°С. Термообработку изделия после сварки проводят в зависимости от марки стали и ее назначения.

Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конструкций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показатели определяются системой легирования теплоустойчивых сталей. По системе легирования стали можно разделить на хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые (табл. 1.2). В этих сталях значение углеродного эквивалента изменяется в широких пределах и оценка свариваемости сталей по его значению нецелесообразна. Расчет температуры предварительного подогрева выполняется для каждой кон­кретной марки сталей.

Разделение высоколегированных сталей по группам (нержаве­ющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жаростойкие являются одновременно кислотостойкими в определенных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одновременно жаропрочностью и жаростойкостью при определенных температурах.

Остановимся на кратких рекомендациях по технологии сварки высоколегированных сталей, которые, как уже отмечалось, разделяются на четыре группы.

Для хорошо сваривающихся высоколегированных сталей термообработку до и после сварки не проводят. При значительном наклепе металл необходимо закалить от 1050÷ 1100°С. Тепловой режим сварки нормальный. К этой группе сталей можно отнести ряд кислотостойких и жаропрочных сталей с аустенитной и аустенитно-ферритной структурой.

Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650÷ 710°С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150÷ 200°С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10мм. После сварки для снятия напряжений рекомендуется отпуск при 650÷ 710°С. К этой группе в первую очередь можно отнести большую часть хромистых и некоторых хромоникелевых сталей.

Таблица 2. Марки теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основе.

Класс	ГОСТ или ТУ	Марка стали
Перлитный или мартенситный	ГОСТ4543-71	Теплоустойчивые хромомолибденовые 15ХМ, 20ХМ, 30ХМ, 30ХМА, 35ХМ, 38ХМ, 38Х2МЮА
ТУ108-1028-81	34ХМА
ГОСТ20072-74	12МХ, 15Х5М, 15X5
ГОСТ5520-79	12ХМ, 10Х2М, 10Х2М-ВД
ГОСТ977-88	35ХМЛ
ТУ5.961-11.151-80	20ХМЛ
ГОСТ4543-71	Теплоустойчивые хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые 40ХМФА, 30ХЗМФ
ГОСТ20072-74	20Х1М1Ф1БР, 12Х1МФ, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1Ф1ТР, 18ХЗМВ, 20ХЗИВФ, 15Х5ВФ
ТУ14-1-1529-76	15Х1М1Ф ТУ14-1-3238-81, 35ХМФА
ТУ108.131-86	12Х2МФА, 18Х2МФА, 25Х2МФА
ТУ14-1-1703-76	38ХМФЮА
ТУ5.961-11151-80	20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ
Ферритный, мартенситно-ферритный и мартенситный	ГОСТ5632-72	Высокохромистые нержавеющие 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 25Х13Н2
ТУ108-976-80	10Х12НД
ГОСТ5632-72	Высокохромистые кислотостойкие и жаростойкие 12X17, 08X17Т, 09Х16Н4Б, 30Х13Н7С2, 08Х18Т1, 15Х18СЮ, 15Х25Т, 15X28, 14Х17Н2, 20Х17Н2, 10Х13СЮ, 40Х9С2, 40Х10С2М
ТУ 14-1-2889-80	09Х17НВД
ТУ14-1-1958-77	11Х17Н
ТУ14-1-2533-78	10X17Ю3Б
ГОСТ5632-72	Высокохромистые жаростойкие 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 20Х12ВНМФ, 11Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 13Х14НЗВ2ФР, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР
ТУ14-3-450-75	12Х11В2МФ
Аустенитный и аустенитно-ферритный	ГОСТ5632-72	Кислотостойкие 04Х18Н10, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 03Х18Н11, 08Х18Н12Б, 03Х17Н14М2, Э8Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х13МЗТ, 08Х17Н15МЗТ, 08Х18Н12Т, 08Х10Н20Т2, 10Х14Г14НЗ, 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 15Х17АГ14, 07Х21Г7АН5, 03Х21Н21М4ГБ, 12Х17Г9АН4, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ
ТУ108.11.595-87	03Х16Н9М2
Аустенитно-мартен-ситный	ГОСТ5632-72	07Х16Н6, 09Х17Н7Ю, 09Х17Н7ЮТ, 08Х17Н5МЗ, 08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9
Ферритно-аустенит-ный	ГОСТ5632-72	Высокопрочные кислотостойкие 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т.08Х21Н6
ТУ14-1-1958-77	10Х25Н6АТМФ
Ферритно-аустенит-ный	ГОСТ977-88	12Х25Н5ТМФЛ
ТУ14-1-1541-75	03Х23Н6, 03Х22Н6М2
Аустенитный	ГОСТ5632-72	Жаростойкие 20Х23Н13, 10Х23Н18, 20Х23Н18, 08Х20Н14С2, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2, 45Х22Н4МЗ, 55Х20Г9АН4
Сплавы на железоникелевой и никеле­вой основе	ГОСТ5632-72	ХН38ВТ, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т
Аустенитный	ГОСТ5632-72	Жаропрочные 10Х11Н20ТЗР, 10Х11Н23ТЗМР, 08Х16Н13М2Б, 09Х16Н15МЗБ, 08Х15Н24В4ТР, 31Х19Н9МВБТ, 10Х11Н20ТЗР, 37Х12Н8Г8МФБ, 45Х14Н14В2М, 09Х14Н19В2БР, 09Х14Н19В2БР1, 40Х15Н7Г7Ф2МС, 09Х14Н16Б
Сплавы на железоникелевой и никеле­вой основе	ГОСТ5632-72	ХН35ВТ, ХН35ВТЮ, ХН32Т, ХН38ВТ, ХН80ТБЮ, ХН67МВТЮ

 

Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650÷ 710°С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050÷ 1100°С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200÷ 300°С.

После сварки для снятия напряжений и понижения твердости детали сварного соединения подвергают отпуску при 650÷ 710°С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050÷ 1100°С.

Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей.

Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200÷ 300°С. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки производится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям, в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется.

 

Подготовка металла под сварку

 

При подготовке деталей под сварку поступающий металл подвергается правке, разметке, наметке, резке, подготовке кромок под сварку, холодной или горячей гибке.

Основной метали и присадочный материал перед сваркой должен быть тщательно очищены от ржавчины, масла, влаги, окалины и различного рода неметаллических включений. На месте указанных загрязнений приводит к образованию в сварных швах пар, трещин, шлаковых включений, что приводит к снижению прочности и плотности сварного соединения.

Подготовка кромок под сварку

 

 

Рисунок 3. Подготовка кромок под сварку.

К элементам геометрической формы подготовке кромок под сварку относятся угол разделки кромок α, притупление кромок – С, зазор между стыкуемыми кромками – b, угол разделки кромок выполняется при толщине металла > 4мм.

Разделка кромок позволяет вести сварку отдельными слоями небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения. Зазор, правильно установленный перед сваркой, позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения.

Притупление выполняется для обеспечения устойчивого ведения сечения процесса сварки при выполнении корневого шва.

Смещение кромок ( δ ) создает дополнительные деформации и напряжения.

Длина прихватки должна составлять (2÷ 10)× S, но не более 100мм, а расстояние между ними (10÷ 40)× S, но не более 500мм. Для разнотолщинных металлов длина (1÷ 5)× S, но не более 50мм, рост не более 250мм.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: