Главная | Обратная связь

конкретных материалов.

СВАРКА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 

 

К низкоуглеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого по массе составляет до 0,25 % типа:

Ст 2 кп, Ст 2 пс и Ст2 сп, 10, 20, 20Г, 22К, Ст3С.

К низкоуглеродистым низколегированным относятся сплавы железа с углеродом, с содержанием легирующих элементов по массе не более 4% типа:

09 Г2, 16 ГС, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 14ХГС, 15ХСНД и др.

Низкоуглеродистые стали обыкновенного качества поставляются без термообработки в горячекатаном состоянии. Стали с повышенным содержанием марганца (15 Г) и легирующих элементов поставляются после термообработки, нормализации или закалки с отпуском.

Формы и объем сварочной ванны образующейся после зажигания дуги зависят от способа сварки, основных параметров режима, толщины свариваемого металла и типа сварного соединения. Этим определяется неодинаковое время существования расплавленного металла, особенности кристаллизации сварочной ванны и строения зоны основного металла прилегающего к шву – зоны термовлияния.

Рост кристаллов затвердевающего металла начинается от границы сплавления вглубь сварочной ванны. Ликвация в сварном шве зависит от его химического состава, формы ванны и скорости кристаллизации. Вблизи границы сплавления ликвация проявляется в виде слоистой неоднородности. Образовавшиеся в затвердевшем металле шва столбчатые дендриды имеют аустенитную микроструктуру в которой по мере охлаждения металла и аллотропического превращения начинается процесс перестройки кристаллов пространственной решетки. В результате этого часть аустенита распадается и превращается в феррит. Выделяющийся при этом углерод (его растворимость в феррите меньше, чем в аустените) вступает в соединение с железом, образуя цементит. Смесь феррита с цементитом образует перлит, что улучшает механические свойства сварного шва. В определенных условиях протекания сварного процесса может возникнуть видманшеттова структура снижающая механические свойства материала шва.

Теплота сварочного процесса распространяющаяся в основной металл приводит к фазовым и структурным превращениям в зоне термического влияния. На рис.1 показано поперечное сечение сварного соединения при однопроходной сварке низкоуглеродистой стали. Кривая над поперечным сечением характеризует распределение температур на поверхности соединения в момент начала первичной кристаллизации сварочной ванны. Граница сплавления шва с основным металлом, как правило не превышающая 0,5 мм, особое место, где нерасплавившиеся зерна основного металла являются основанием кристаллизации металла и твердость этой зоны всегда превосходит твердость и основного металла и металла шва, а свойства материала этой границы оказывают решающее влияние на свойства сварного соединения. На участке перегрева выше 1100°С (участок неполного расплавления и участок перегрева) металл переходит в состояние аустенита. При этом образуется крупнозернистые структуры способные после охлаждения превратиться в видманшеттовы структуры.

Рис.1.

 

Металл нагретый незначительно выше Асз (см. рис.1) распологающийся на участке нормализации имеет мелкозернистую структуру и высокие механические свойства. Металл с температурой Асı < Т< Асз (участок неполной перекристаллизации) харктеризуетсянеизменным ферритным зерном и измельчением перлитных участков. Металл на участке рекристаллизации 500°С < Т< Асı по структуре незначительно отличается от основного, но при значительном времени пребывания в этом диапазоне температур может существенно увеличиться зерно, из-за чего снизятся его механические свойства.

Таким образом, состояние металла шва и околошовной зоны в конечном итоге и после сварки определяется максимальными температурами термического цикла сварки, скоростью их охлаждения, количества углерода и легирующих элементов, которые способствуют образованию, как зональных структур, так и мелкозернистых или крупнозернистых структур. Поэтому в каждом конкретном случае технология сварки должна управлять процессами изменения термического циклов различных зонах за счет использования следующих приемов. Сварка короткими и длинными участками многопроходных швов позволяет изменять время пребывания шва и зоны термовлияния в зоне определенных температур и способствует своеобразному отпуску. Сварка источниками различной интенсивности – газовое пламя при газовой сварке, выделение тепла в расплавленном шлаке при электрошлаковой сварке, электрическая дуга при сварке под флюсом и в защитных газах, электронный луч и лазер создают широкий диапазон интенсивности ввода тепла в сварное соединение. Низкая интенсивность ввода тепла (газовое пламя, электрошлаковая сварка) способствует крупнозернистому строению металла шва и повышенной протяженности зоны термического влияния. В то же время у источников с повышенной интенсивностью ввода тепла (электронный луч, лазер) относительные размеры зоны термовлияния существенно сокращаются и коэффициент формы шва b ⁄ h (где b – ширина шва, h – глубина проплавления) может достигать величин порядка 20 и более. При этом металл шва в околошовной зоне не претерпевает существенных изменений оставаясь мелкозернистым.

При средней интенсивности ввода тепла (дуговые процессы) приходится прибегать к приемам уменьшающим скорость охлаждения сварного соединения. Это позволяет избегать закалочных и видманшеттовых структур. Изменением режимных характеристик сварки (Jcв, Uсв, Vсв) регулируют величину разупрочнения зоны термовлияния при сварке термически обработанных низколегированных сталей.

Однако прибегать к этим приемам следует крайне осмотрительно. Например, при выборе температуры подогрева следует учитывать, что недостаточный подогрев повышает количество мартенсита в структуре металла околошовной зоны и способствует появлению холодных трещин, а перегрев снижает пластичность и ударную вязкость стали, вследствие чрезмерного роста зерна аустенита.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются практически всеми способами сварки плавлением.

При газовой сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей применение флюсов не требуется. В качестве присадочного материала используются проволоки марок Св-08, Св-08А, Св-08ГС, Св-12ГС и Св-08Г2С. Металл шва содержит азот, а наличие водорода и СО может привести к пористости. Поэтому присадочный материал необходимо применять с пониженным углеродом.

Сварка покрытыми электродами швов на низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированнных сталях толщиной 10-12 мм не требует предварительного подогрева. При сварке термоупрочняемых сталей рекомендуются режимы с малой погонной энергией и сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Это сокращает протяженность области разупрочнения в зоне термического влияния. При толщинах, начиная от 16 мм и более в зависимости от легирования материала, следует просчитывать температуры подогрева. На практике наиболее распространены формулы, предложенные позволяющие по эквиваленту углерода, толщине стали и содержанию водорода в металле шва рассчитать температуры подогрева превышающие температуры начала мартенситного превращения в зоне термовлияния. Расчет ведется по показателю склонности сталей к образованию холодных трещин Рс, который определяется по формуле:

 

,

где – химический эквивалент углерода

- размерный эквивалент углерода

Н – содержание диффузионного водорода в см³/100 г наплавленного металла

 

Температура предварительного подогрева рассчитывается по формуле:

Тп = 1440 Рс – 392 °С

Автоматическую сварку под флюсом низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей выполняют электродной проволокой диаметром 3 – 5 мм. При сварке низкоуглеродистых сталей в основном применяют флюсы марок АН-348 А и ОСЦ-45 и низкоуглеродистые проволоки марок Св-08 и Св-08А, реже (при сварке ответственных конструкций и т.д.) проволоку Св-08 ГА.

При сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей используют те же флюсы в сочетании с проволоками Св-08 ГА, Св-10ГА, Св-10 Г2. Подогрев, как и в предыдущем случае применяется при толщинах стали более 12÷15 мм. На термоупрочняемых сталях следует применять режимы с малой погонной энергией, на нетермоупрочняемых- наоборот, с повышенной. Свойства сварных соединений на этих сталях в зависимости от условий сварки изменяются в широких пределах.

При дуговой сварке в защитных газах применяются СО2 для сварки плавящимся электродом, а так же смеси СО2 с Ar в сочетаниях Ar + 15%CO2 и Ar + 20%CO2. В качестве электрода применяются такие марки проволок как Св- 08 ГС, Св- 12 ГС, Св- 08 Г2С. Этими проволоками хорошо свариваются как низкоуглеродистые спокойные стали марок Ст 1сп, Ст 2сп, так и такие низкоуглеродистые стали как 10 ХСНД, 15 ХСНД, 14 ХГС, 09 Г2. После сварки в СО2 и смесях 85% Ar + 15%CO2, 80% Ar + 20% CO2 они не требуют термообработки. Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений из этих сталей в морской воде применяются проволоки типа Св-08ХГ2С, Св-18ХГСА.

Одним из новых маловнедряемых направлений является сварка открытой дугой (без защитных газов) порошковыми проволоками марок ПП- 1ДСК, ПП- АН3, ЭПС- 15/2 и др. Однако при сварке ответственных конструкций сварка порошковой проволокой открытой дугой практически не применяется.

СВАРКА ПЕРЛИТНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

 

К этим сталям относятся следующие стали с содержанием хрома, молибдена и ванадия типа 12 МХ (ГОСТ 20072-74), 12 ХМ (ГОСТ 5520-79), 15 ХМ (ГОСТ 4543-71) работающие при температурах 450-550°С и 12 Х1МФ (ГОСТ 5520-79), 20 ХМФЛ, 15 Х1М1ФЛ (ОСТ 108.961.04-80) работающие при температуре 550-600°С.

В соответствии с предназначением они должны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Эти свойства обеспечиваются легированием сталей хромом (0.5÷2%), повышающего жаростойкость сталей при температуре выше 450°С, совместно с молибденом (0.2÷1.0%) повышает в условиях высоких температур длительную прочность и сопротивление ползучести и ванадия (0.1÷0.3) который совместно с углеродом обеспечивает упрочнение стали высокодисперсными карбидами.

Существующая технология сварки и сварочные материалы обеспечивают получение сварного соединения с требуемыми свойствами при соблюдении следующих условий.

Подготовка кромок должна производиться механическим образом. Допускается кислородная или плазменная резка с последующим механическим удалением металла с кромок на глубину не менее 2 мм.

Дуговая сварка производится при температуре окружающей среды не менее 0°С с предварительным и сопутствующим местным или общим подогревом до температур указанных в таблице ниже. Этот подогрев предотвращает появление холодных трещин, вызванных при остывании до нормальных температур выделением в низколегированных сталях диффузионного подвижного водорода.

 

 

Таб.№1 «Температура предварительного и сопутствующего подогрева»

МАРКА СТАЛИ	ТОЛЩИНА СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ мм	ТЕМПЕРАТУРА ПОДОГРЕВА ºС
12 МХ, 12 ХМ, 15ХМ	<10 10÷30 >30	– 150÷200 200÷350
2 ХМЛ, 12 Х1МФ	<6 6÷30 >30	– 200÷350 250÷400
15 Х1М1Ф, 20 ХМФЛ, 15 Х1М1ФЛ	<6 6…30 свыше 30	– 250÷400 300…450

 

Повышение температуры свариваемого металла способствует увеличению диффузионной подвижности водорода и удалению его из сварного соединения, а это повышает пластичность и деформационную способность металла. Иногда необходима длительная выдержка после сварки при температурах 150÷200°С для полного распада аустенита и эвакуации водорода. При ручной сварке сталей типа 12 МХ или 20 ХМЛ используют электроды типа Э – 09Х1М с основным (фтористо-кальциевым) покрытием. Когда применение подогрева и термообработки сварных соединений невозможны или эти стали свариваются с аустенитными, допускаются электроды на никелевой основе.

Сварка этих сталей в защитных газах осуществляется как плавящимся так и неплавящимся электродом. При сварке плавящимся электродом в СО₂ или смесях Ar + СО₂ (при добавке к Ar 15% – 20%СО₂) используются только те проволоки в маркировке которых присутствуют буквы «Г» и «С» т.е. раскислители марганец и кремний. Это проволоки марок:

Св – 08Г2С, Св – 08ХГСМА, Св – 08ХГСМФА и др.

Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. В зависимости от диаметра проволоки используют режимы (см. таблицу 2).

 

Таб.№2 «Режимы сварки в CO2 плавящимся электродом»

Ø проволоки	Jсв	Uср
мм	А	В
1,6	140-200 280-340	20-22 26-28

 

Сварка неплавящимся электродом осуществляется в чистом Ar. Сварка выполняется на постоянном токе прямой полярности. Используются такие сварочные проволоки как Св – 08ХМ, Св – 08ХГСМА. Сварка хромомолибденованадиевых сталей осуществляется проволоками Св – 08ХМФА и Св – 08ХГСМФА. Проволоки марок Св – 08ХМ и Св – 08ХМФА допускаются только при содержании в них кремния не менее 0,22%.

Сварка жаропрочных перлитных сталей выполняется и под флюсом. При этом применяются флюсы с незначительным содержанием окислов кремния и марганца. Это флюсы типа

48 – ОФ – 6, АН – 30, АН – 22. Сварка производится на изделиях с толщиной стенок более 20мм на постоянном токе обратной полярности.

На хромомолибденованадиевых сталях применяют режимы с малой погонной энергией (проволока Ø = 3мм; Jсв = 350 – 400А;

Uдуги = 30-32В; Vcв=40-50м/час.

Хромомолибденовые стали сваривают проволоками Ø 4-5мм при Jсв = 520 – 600А; Uдуги = 30 – 34В. Для сварки хромомолибденованадиевых сталей используются проволоки типа Св – 08ХМФА, а для хромомолибденовых – Св – 08МХ и

Св – 08ХМ.

 

СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ, МАРТЕНСИТНО – ФЕРРИТНЫХ И ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Железо образует с хромом непрерывный ряд твердых растворов с объемно-центрированной кубической решеткой. По кристаллической решетке хромистых сталей при комнатной температуре различают стали мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные. При низком содержании углерода легирование стали хромом до 12% по сумме (под суммой понимается эквивалентное значение хрома Ф = % Cr + %Si*1,5 + %Nb*0,5 + %Mo + %V*0,8 + %Ti*4,0) приводит к формированию однофазной мартенситной структуры, образующейся даже при медленном охлаждении от 800°С со скоростью менее 10°С/сек. Поэтому марки сталей с содержанием 11 – 12%Сч отнесены к мартенситным. Дальнейшее увеличение содержания хрома приводит после охлаждения к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры. Поэтому легированные стали (в том числе молибденом, ванадием, никелем в небольших количествах) с содержанием хрома 13÷14% отнесены к мартенситно-ферритным. Дальнейшее увеличение содержания хрома в стали при малой концентрации углерода приводит к тому, что сталь при любых температурах и любой скорости охлаждения сохраняет ферритную структуру. Поэтому ферритными называют стали с низким содержанием углерода легированные хромом в количестве не менее 16%.

 

СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

 

 

К высокохромистым мартенситным относятся стали марок 15XIIМФ; 15Х12ВНМФ; 18XIIМНФБ; 13XIIH2B2МФ; 12XIIB2МФ; 10XI2НД; 06XI2Н3Д.

Стали данного типа склонны к хрупкому разрушению в состоянии закалки и при содержании углерода более 0,10%, и образованию холодных трещин при сварке. Для предотвращения образования холодных трещин при сварке сталей с 11 – 12% хрома применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200 – 450°С. Температура подогрева должна быть тем выше, чем больше эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле С_экв = %С + %Mn/6 + %Cr/5 + %V/5 + %Mo + %Ni/15 + %Cu/13 + %P/2, где З – фосфор. При этом медь и фосфор учитываются только в том случае, если меди больше 0,5%, а фосфора больше 0,05%. В то же время избыточное тепло может привести к отпускной хрупкости, из-за снижения скорости охлаждения в околошовной зоне. Эти стали дополнительно легированные никелем образуют мартенсит, отличающийся высокой пластичностью и вязкостью. Тем не менее высокая чувствительность металла шва к водородной хрупкости вызывает необходимость предварительного сопутствующего подогрева до 110 – 200°С. Сварка этих сталей может осуществляться покрытием электродами вручную, обеспечивающими получение сварочных швов, близких по химическому составу основному металлу. Наряду с электродами близкими по составу к основному металлу применяют аустенитные электроды.

Для автоматической сварки используют проволоки Св – 15XI2НМВФБ и Св – 15XI2-ГНМБФ и флюсы АН – 17 и ОФ – 6.

Во всех случаях сварные соединения подвергают немедленному термическому отпуску. В некоторых случаях перед отпуском производится подстуживание до 100°С для завершения j-α(М)-превращения.

Тепловые режимы подогрева мартенситных сталей приводятся в таблице №3.

 

Таблица. №3

 

Марки стали	Т°С Подогр.	Продолжительность хранения до термообработки (в час.)	Термическая обработка
15XIIМФ 15XI2ВНМФ 18XIIМНФБ 13XIIН2В2МФ		Не допускается	Отпуск при 700-720°С без охлаждения. При толщине более 30 мм перед термообработкой рекомендуется подстуживание до 100 °С
12 XIIВ2МФ	250-		Отпуск при 715-745°С предварительный и 735-765 °С окончательный.
10X12НД 06Х12Н3Д	>100 >200	} Не допускается	Отпуск при 650°С с предварительным подстуживанием. Отпуск при 610-630°С предварительный и 625-650°С окончательный.

 

СВАРКА МАРТЕНСИТНО – ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

 

К мартенситно-ферритным относятся следующие марки сталей: 08Х13; 12Х13; 20Х13; 08Х14МФ; 14Х17Н2.

Термическая диаграмма распада аустенита в сталях данных марок с небольшим содержанием углерода имеет две области превращений: в интервале температур 600-930°С образуется ферритно-карбидная структура, а в интервале 120-420°С образуется мартенсит. Количественная сторона этих превращений зависит от скорости охлаждения, с увеличением которой возрастает количество мартенсита и снижается ударная вязкость. В связи со склонностью к подкалке повышается возможность образования холодных трещин. Отпуск сталей при температуре 650-700 °С приводит к распаду структуры закалки и уменьшению тетрагональности структуры мартенсита. Кроме этого в зоне термовлияния сварных соединений может быть много б-феррита. Участие б-феррита отрицательно влияет на вязкость сварного соединения. В целом сварка мартенситно-ферритных сталей производится с предварительным сопутствующим подогревом. Даже при сварке самой простой стали марки 08Х13 рекомендуется подогрев от 150 до 250°С с последующей термообработкой. На этих сталях выполняется ручная сварка покрытыми электродами, сварка в защитных газах и сварка под флюсом. Широко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла – это электроды Э-10Х25Р13Г2, Э-10Х18Н2, сварочные проволоки Св-07Х25Н12Г2Т, Св-08Х18Н2ГТ, Св-08Х14ГНТ.

Так как при сварке этих сталей применяют в основном аустенитные материалы, прочностные свойства сварных соединений ниже свойств основного металла.

 

СВАРКА ХРОМИСТЫХ ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Стали с обычным содержанием углерода, легированные хромом в количестве от 16% и более относятся к ферритным. Характерными представителями этого типа сталей являются марки 08Х17Т; 15Х25Т; 08Х23С2Ю.

Эти стали склонны к повышению охрупчивания под воздействием подогрева. Их пластичность и ударная вязкость в зоне термовлияния шва стремятся к нулю. Зона охрупчивания в основном измеряется расстоянием от линии сплавления до изотермы 1000°С. А также с зонами образования б-фазы (550 – 850°С) и 475°С хрупкости (изотермы 100 – 550°С). Хрупкость устраняется, а пластичность восстанавливается при нагреве сварного соединения до 750 – 760°С. Во избежание образования трещин все операции, связанные со сварной правкой и ударными нагрузками рекомендуется производить с предварительным подогревом конструкции до 150 – 200°С, а после сварки рекомендуется ускоренное охлаждение (100°С/с) для уменьшения продолжительности выдержки в интервале температур близких к 475 °С.

В качестве сварочных материалов для дуговой сварки покрытыми электродами, сварки в защитных газах и под флюсом применяют электроды и проволоки, обеспечивающие получение наплавленного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой.

При требованиях к стойкости МКК сварных соединений применяются сварочные материалы, легитированные Nb или Ti и Al. В химическом машиностроении применяют электроды типа Э-10Х17Т, а также используют проволоки Св – 10Х17Т для аргонно-дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом. При использовании аустенитных электродов и проволок с повышенной чистотой по примесям, металл шва отличается высокой эластичностью и ударной вязкостью. Для ферритных сталей обязательно применяется отжиг при 760°С, при котором полностью релаксируют остаточные напряжения. Крупнозернистая структура и хрупкость сварных соединений из ферритных сталей не удаляются термической обработкой.

СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 

 

Состав легирования определяет служебное назначение легированных сталей (см. стр. 2). По назначению их можно разделить на 4 группы – коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и хладостойкие. Коррозионно-стойкие обладают высокой коррозийной стойкостью, в атмосферной, газовой средах, в водных растворах кислот, щелочей и жидкометаллических сред. Эта стойкость проявляется при комнатных температурах, пониженных и повышенных температурах по отношению к комнатной. Жаропрочные, жаростойкие и хладостойкие стали способны сохранять свои механические свойства в условиях работы при высоких и низких температурах. А их поверхность способна противостоять разрушению при высоких и низких температурах. Свариваемость многокомпонентных сталей и сплавов затрудняется по мере увеличения количества легирующих элементов и разнообразия условий эксплуатации конструкций. Общей сложностью сварки является предупреждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных горячих трещин. Эти трещины могут возникать также и при термообработке, и при работе конструкций при повышенных температурах. Природа склонности к образованию горячих трещин, как в этих сталях, так и в швах кроется в крупнозернистой дендритной структуре с образованием межкристаллитных прослоек повышенной толщины, которые состоят из легкоплавких эвтектик затвердевающих после образования кристаллов в процессе возникновения усадочных напряжений. Одним из методов борьбы с зарождением горячих трещин является увеличение в металле шва ферритообразующих элементов, таких как хром, кремний, алюминий, молибден. Эти элементы способствуют уменьшению размеров зерен и увеличению их количества, а также обессериванию металла шва и способствует уменьшению количества легкоплавной сульфидной эвтентики. Однако содержание феррита до 20-25% допускается в коррозийно-стойких сталях, работающих до температур 400°С. В швах, работающих при более высоких температурах, возможно в процессе эксплуатации преобразование б-феррита в б-фазу ухудшающую служебные характеристики швов. Поэтому на жаропрочных и жаростойких сталях и в их швах количество б-феррита ограничивают 4-5%.

В сталях с большим запасом аустенитности и аустенитно-ферритных, а также в их швах, увеличение стойкости от горячих трещин достигается ограничением содержания вредных (фосфор, сера) и ликвирующих примесей, как в процессе плавок сталей и сварочных материалов, так за счёт режимов, обеспечивающих незначительное расплавление основного металла, ограничение размеров валиков, охлаждения каждого валика многослойного шва до комнатной температуры и т.д., и т.п.

Другим дефектом, возникающим при эксплуатации сварных конструкций из высоколегированных аустенитных сталей, является охрупчивание металла шва и околошовной зоны. Это происходит из-за больших скоростей охлаждения швов при сварке и которые приводят к фиксации неравномерных по отношению к рабочим температурам структур. Во время эксплуатации жаропрочных жаростойких сталей при температурах выше 350°С в результате диффузионных процессов может появиться 475° хрупкость (старение при температурах 350 – 500°С), выпадение карбидов (старение при 500 – 650°С), образование б-фазы (выдержка при температуре 700 – 850°С) с соответствующим охрупчиванием металла и снижением предела ползучести. Последнее приводит к образованию трещин в зоне термического влияния и горячих трещин в шве. Предупреждение подобных локальных разрушений достигается термообработкой на аустенизацию и снятие остаточных сварочных напряжений (температура 1050 – 1100°С). Эта термообработка в большинстве случаев сопровождается стабилизирующим отжигом при температурах 750 – 800°С. Кроме этого, для предотвращения возникновения холодных трещин уменьшается жесткость свариваемых кромок за счёт предварительного и сопутствующего подогрева околошовной зоны до температур 350 – 450°С. У большинства жаростойких сталей, имеющих большой запас аустенитности, из-за карбидного и интерметалидного дисперсионного твердения, при сварке, возможно образование холодных трещин в шве и околошовной зоне. Эта возможность устраняется предварительным подогревом кромок шва до температур 250 – 550°С. У высоколегированных аустенитных сталей и сплавов на хромоникелевой основе может развиваться межкристаллитная коррозия в металле шва, в основном металле у линии сплавления (ножевая коррозия) или на некотором удалении от шва (см. рис. 2).

Рис.2

При повышенном содержании в аустените углерода под действием термического цикла по границам зерен аустенита происходит выделение карбидов хрома. Такие участки зерен с местным обеднённым твёрдым раствором хрома при работе в коррозийной среде быстро растворяются, что приводит к нарушению связи между отдельными зернами. Этот процесс носит название межкристаллитной коррозии.

В металле шва межкристаллитная коррозия может возникнуть при длительном пребывании в интервале критических температур. Это же может произойти со швом в процессе длительной эксплуатации в диапазоне температур 600-700°С. Воздействием термического цикла на основной металл обусловлена и межкристаллитная коррозия в зоне термовлияния. Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер и поражает основной металл на участках, которые нагревались до температур выше 1250°С. Основные методы борьбы с МКК – дополнительное легирование такими ферритизаторами, как кремний, молибден, ванадий, алюминий, поскольку это измельчает структуру зерен, повышает устойчивость к МКК снижение содержания углерода до пределов его растворимости в аустените (0,02…0,03%) и легирование более энергичными, чем хром, карбидообразующими (титан, ниобий, тантал, ванадий).

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом свойств, позволяющих использовать одну и ту же марку сталей для изделий различного назначения. Из вышеизложенного следует, что при сварке этих сталей возникают, как общие для всех сплавов этого класса проблемы свариваемости, так и обусловленные спецификой эксплуатации конструкций из них.

К общим проблемам свариваемости относятся, во-первых, уменьшение, по сравнению с низколегированными сталями, теплопроводности и увеличение электросопротивления, вследствие чего увеличивается при одинаковых с низколегированными сталями режимах глубина проплавления, ширина распределения изомером в температурном поле при сварке конструкций (см. рис. 3), разогрев электрода в месте и скорость его подачи. Вследствие этого уменьшается плотность тока в электроде, длина обмазанных электродов, режимы сварки и т.д., и т.п. Меры по предупреждению образования горячих трещин в швах и околошовной зоне сводятся к следующим: ограничение в металле шва и основном металле содержания вредных примесей (сера, фосфор) и газов - кислорода и водорода. Для этого уменьшаются режимы сварки, позволяющие уменьшить долю основного металла в шве, сокращаются вылеты электродов, уменьшается длина дуги при сварке покрытыми электродами, применяются бескислородные флюсы, в качестве защитных газов используется аргон или смесь аргона с небольшим количеством СО₂ и т.д., и т.п.

Рис.3.

 

Распределение изотерм при сварке на одинаковых режимах низколегированных (α) и аустенитных (δ) сталей. Для повышения стойкости к горячим трещинам стремятся получить в металле шва двухфазную мелкозернистую структуру либо за счет увеличения феррита, либо мелкодисперсных карбидов и интерметаллидов, либо за счет азота, способствующего измельчению структуры в аустените. Этому же способствует уменьшение поперечного сечения одиночного валика, наложение каждого последующего прохода в многопроходном шве, только после полного остывания предыдущего, поперечные колебания дуги, по разделке способствующие разориентации роста дендритов.

К специфическим особенностям свариваемости этих сталей, обусловленных их служебным назначением, относятся: во-первых, при сварке жаропрочных и жаростойких высоколегированных сталей в ряде случаев невозможно производить термообработку на аустенизацию с последующим стабилизирующим отпуском. В таком случае перед сваркой производится предварительный и сопутствующий подогрев при температуре 350 – 400°С, а обеспечение жаростойкости достигается за счёт проволок, имеющих металл шва соответствующий по составу основному металлу. Кроме этого, перечисленные в общих требованиях приемы сварки часто не могут быть использованы одновременно, так как влияние на свойства шва и околошовной зоны одного исключает применение другого. Поэтому в зависимости от предназначения конкретного изделия при его сварке могут применяться конкретные приемы, обеспечивающие получение сварного соединения с требуемыми свойствами.

 

Эти стали могут свариваться следующими способами:

 

Газовая сварка – используется для жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1-2 мм. Процесс производится с большой скоростью левым способом. Сварные соединения имеют большие деформации.

При ручной сварке покрытыми электродами следует учитывать перечисленные выше требования в металлу шва. Кроме этого, рекомендуется применение электродов с фтористо-кальциевым покрытием, обеспечивающим минимальный угар легирующих элементов. Для коррозийно-стойких сталей рекомендуются марки электродов ЦЛ-11, 03Л-7, 03Л-22, АНВ-13, Л-38М, СЛ-28, НЖ-В. Для жаропрочных и жаростойких сталей ЦТ-15, 03Л-4, 03Л-5, 03Л-6, 03Л-9-1.

Автоматическая сварка под флюсом является одним из основных способов создания конструкций с толщиной металла от 3 до 50 мм из этих сталей. Преимущества вида сварки по сравнению с ручной – это, во-первых, отсутствие разделок кромок при толщинах до 12 мм, однородность металла шва, отсутствие большого количества кратеров, уменьшение потерь на угар, разбрызгивание, сокращение коэффициента расхода сварочных проволок и т. д., и т.п.

При сварке многопроходных швов отдельные валики (из которых состоит шов) имеют небольшие сечения. Поэтому применяются проволоки небольшого диаметра 2-3 мм. Флюсы, применяемые при сварке, относятся к безокислительным, низкокремниевым, фторидным и высокоосновным. Это позволяет в плавильном пространстве над сварочной ванной создавать малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. Применяются следующие марки флюсов: АНФ – 5; АНФ – 7; АНФ – 14; АНФ – 16; 48 – ОФ – 10; ФКЦ;

К – 8 и др.

Электрошлаковая сварка с её малой интенсивностью источника нагрева, малой скоростью сварки и повышенной длительностью пребывания металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах с одной стороны понижает чувствительность к образованию горячих трещин и позволяет получать чисто аустенитные швы. В то же время эти же факторы повышают склонность сварных соединений к околошовным разрушениям в процессе термообработки или эксплуатации при повышенных температурах. Флюсы, применяющиеся при электрошлаковой сварке АНФ – 1, АНФ – 6, АНФ – 7. В основном варятся большие толщины 100 – 200мм, и в качестве сварочного материала используются пластины с поперечным сечением 10×100мм или 12×100мм. Режим сварки от 600А до 2000А при напряжении от 22 до 42В.

Сварка в защитных газах один из наиболее распространённых дуговых методов соединения высоколегированных сталей. Этим методом соединяется весь диапазон толщин этих сталей от десятых долей до сотен миллиметров. В качестве защитных газов используются инертные аргон и гелий, или активные СО₂, а также смеси аргона с гелием, аргона с СО₂ или кислородом. В некоторых случаях применяются смеси аргона с азотом, который, являясь активным аустенизатором, позволяет изменить структуру металла шва. В основном защитные смеси базируются на добавках к аргону 3-5% кислорода, 10-20% углекислого газа, 5-10% азота или 25 % гелия. Добавки этих газов к аргону позволяют не только влиять на металлургические процессы в сварочной ванне, но и повышать служебные характеристика сварочной дуги. Так, при небольших добавках кислорода, углекислого газа или азота дуговой процесс приобретает более стабильный характер горения, значительно (до полутора раз) сокращаются критические токи, переводящие перенос электродного металла из мелкокапельного в струйный. Это позволяет широко пользоваться процессами сварки в защитных газах в пространственных положениях, отличных от нижнего.

Сварка в защитных газах может производиться плавящимся и неплавящимся электродом.

Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляется только в инертных газах аргоне или гелии и их смесях 75% аргона+25% гелия. Существуют три способа сварки в защитных газах неплавящимся электродом. Ручная – выполняется в аргоне и двух механизированных (полуавтоматическая и автоматическая), которые выполняются как в аргоне и гелии (на активных материалах, таких как Тi ) так и смесях Ar+N₂. Ручная сварка неплавящимся электродом в аргоне применяется для конструкций из тонких листов (толщина листов от 1 до 5мм).

Существуют механизированные технологии неплавящимся электродом, например, применяется ручная сварка вольфрамовым электродом в аргоне с механизированной подачей присадочной проволоки. Поверхность швов, сваренных в аргоне, неравная с чешуёй. Для выравнивания этой поверхности используется сварка в гелии на небольшом токе и большом U_g. Сварка неплавящимся электродом с механизированной подачей присадочной проволоки при заварке корня шва на толстостенных конструкциях. При этом обеспечивается высокое качество корневого прохода и при узких зазорах (порядка 2мм) формирование обратной стороны шва. Сварка вольфрамовым электродом высоколегированных сталей выполняется на постоянном или импульсном токе при прямой полярности. В настоящее время рекомендуется применять сварку неплавящимся вольфрамовым электродом высоколегированных сталей в толщинах до 20 мм, а при больших толщинах выполнять корневые проходы.

Плавящимся электродом в защитных газах сваривают как тонколистовые, так и толстолистовые высоколегированные стали. При этом в последнее время (начиная с 80-х годов прошлого столетия) существенно сократились объемы сварки плавящимся электродом высоколегированных сталей в СО₂ и чистом аргоне. В СО₂ сократились из-за выгорания элементов, особенно таких как титан, алюминий, ниобий и др. При сварке в чистом аргоне глубоко аустенитными проволоками, такими как ЭП-395, в швах появляется равномерно распределённая мелкая пористость. Поэтому основной защитной средой при сварке плавящимся электродом высоколегированных сталей стала смесь, состоящая из Ar+10-15% СО₂. Сварка плавящимся электродом в защитных смесях осуществляется автоматами и полуавтоматами на постоянном или импульсном токе при обратной полярности дуги. В незначительных объёмах применяется сварка на переменном высокочастотном токе. В незначительных объёмах на высоколегированных сталях применяют плазменную сварку, сварку электронным лучом и лазером. Перспективность применения последнего весьма очевидна.

 

 

СВАРКА ЧУГУНА

 

Чугун - это многокомпонентный сплав, содержащий углерод от 2% до 6,67%, кремний, марганец, серу, фосфор. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны, а в зависимости от легирования так же аустенитно-никелевые и высоколегированные хромистые.

Белый чугун имеет в изломе почти белый цвет. Это обусловлено тем, что углерод в сплаве находится в связанном состоянии в виде карбида железа - цементита Fe_зC, который образует эвтектику-ледебурит, представляющую собой смесь цементита с перлитом или аустенитом. Цементит хрупок, имеет высокую твердость (НВ 800), веледствии чего белые чугуны не поддаются механической обработке, применяются ограниченно и используются преимущественно для получения ковких чугунов.

Серые чугуны имеют в изломе серебристый цвет из-за наличия в сплаве пластинчатых включений графита. В зависимости от условий и степени графитизации могут получаться чугуны с перлитной, перлитно-ферритной и фериттной основами. Графит уменьшает чувствительность чугуна к внешним надрезам, способствуя тем самым высокой сопротивляемости знако-переменным нагрузкам. Высокие прочностные и литейные качества, хорошая обрабатываемость и износостойкость способствовали серому чугуну найти широкое применение как конструкционного материала. По ГОСТ 1412-79 марку серого чугуна обозначают буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает величину временного сопротивления при растяжении, а второе - при изгибе.

Высокопрочные чугуны производят по специальной технологии с применением особых добавок (магния, редкоземельных элементов и т.д.). Благодаря этому, выделяющийся в сплаве графит приобретает шаровидную форму и его включения равномерно распределяются по всей металлической матрице. Шаровидная форма графита предает чугуну высокие механические свойства.

Ковкие чугуны получают из белых посредством их (белых) термической обработки - длительной выдержке при температуре 800-850°С. При этом углерод в чугуне выделяется в виде хлопьев свободного углерода, располагающихся между кристаллами чистого железа. Согласно ГОСТ 1412-79 ковкий чугун обозначается буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых обозначает временное сопротивление при растяжении, а вторая - относительное удлинение в процентах.

Легированные чугуны (аустенитно-никелевые и хромистые) содержат примеси хрома до 10%, никеля до 22%, молибдена до 3%, меди до 9% и т.д. и применяются в различных отраслях промышленности как материалы со специальными свойствами.

Плотность чугуна зависит от химического состава, рода чугуна, формы и характера распределения графита и количественного соотношения структурных составляющих. Плотность чугуна с повышением температуры понижается и при температуре плавления составляет 7,1 +/- 0,05 г/см₃. Плотности структурных составляющих чугуна в твердом состоянии (в г/см3); феррита -7,87; перлита- 7,8; цементита- 7,66 и графита- 2,3.

Основными легирующими компонентами всех чугунов являются углерод, кремний, марганец, сера и фосфор.

Углерод снижает температуру плавления сплава и повышает его жидко-текучесть. С повьшением углерода в сплаве увеличивается количество и размеры графитовых включении, что снижает вероятность отбела (т.е. появления цементита), но в то же время ухудшает механические свойства.

Кремний уменьшает растворимость углерода в железе и способствует его графитизации, особенно при его содержании в сплаве ~3%, т.к. изменение содержания кремния в сплаве в ту или другую сторону от 3% уменьшает его влияние на графитизацию углерода. Большое влияние на структуру чугуна оказывает суммарное соотношение концентрации углерода и кремния.

Марганец способствует образованию цементита, причем наиболее сильно это свойство проявляется при содержании его в сплаве более 1,5%, При меньших количествах марганец способствует графитизации чугуна. Кроме этого, марганец устраняет отрицательное влияние серы, связывая ее в химическое соединение МnS , которое сравнительно легко удаляется из металла в шлак.

Сера является вредной примесью. Она вызывает отбел чугуна, образует по границам зерен легкоплавкую эвтектику и способствует образованию горячих трещин. Верхний предел содержания серы в чугунах 0,1%.

Фосфор в сплаве увеличивает жидкотекучесть и понижает температуру затвердевания чугуна, способствует его графитизации. Вместе с тем фосфор увеличивает склонность, к образованию трещин. Содержание фосфора в чугунах не должно превышать 0,2%.

Кроме этого необходимо отметить, что алюминий, никель, кобальт, медь способствуют графитизации чугуна. Ванадий, хром, молибден препятствуют распаду карбидов железа.

Все материалы, предназначенные для заварки дефектов, подразделяются на три группы.

В первую группу входят материалы, наплавленный металл которых представляет собою чугун с заданной структурой и свойствами. Материалы первой группы, в основном, предназначаются для горячей газовой и дуговой сварки за небольшим исключением, оговоренном ниже.

По структурным характеристикам все материалы первой группы делятся следующим образом.

-1а. Материалы, у которых наплавленным металлом является чугун с перлитно-ферритной структурой. Это прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок А и Б, прутки чугунные ПЧ-1, электроды чугунные марки ЭЧ-1 на прутках ПЧ-1, а так же на прутках по ГОСТ 2671-70 марок А и Б; порошковая проволока ППАНЧ-2 и ППЧ-З; электроды марки ЦЧ-5, изготовленные с использованием стальной проволоки Св-08.

-1б. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с перлитной структурой. Это прутки чугунные марок ПЧС-1 (ПЧ-2); прутки чугунные самофлюсующиеся марки ПЧ-3; прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок НЧ-2 и УНЧ-1 для низкотемпературной пайко сварки; электроды чугунные марки ЭЧ-2, выполненные на прутках ПЧС-1; проволока порошковая диаметром 3 - 5,5 мм марки ППЧ-ЗМ.

-1в. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с шаровидным графитом. Это прутки чугунные марки ЭВЧ-1, выполненные на прутках ПЧС-2; порошковая проволока марок ППАНЧ-5 и ППВЧ-1; электроды медноникелевые марки МНЧ-2, предназначенные для холодной сварки.

Ко второй группе относятся сварочные материалы, наплавленный материал которых не является чугуном и предназначен для холодной дуговой сварки, наплавки валиков и низкотемпературной пайко сварки.

Все они подразделяются на две подгруппы - материалы, наплавленный металл которых должен обрабатываться механическими способами так же, как и чугун, и материалы, к наплавленному металлу которых не предъявляются условия обрабатываемости.

К первой подгруппе второй группы относятся электроды медно-стальные на медной проволоке марки ОЗЧ-2; электроды железоникелевые марки ОЗЖН-1, электроды специальные марки ЦЧ-4, изготовленные с применением проволоки Св-08; сварочные проволоки малых диаметров: на никелевой основе, самофлюсующиеся марки ПАНЧ-11, на медной основе самофлюсующиеся марки МрЗКМцТ-03-03-7,0-0,3; прутки латунные марки ЛОМНА; порошковые самофлюсующиеся сплавы марок НПЧ-1, НПЧ-2, НПЧ-3, НПЧ-4.

Ко второй подгруппе второй группы относятся электроды стальные на базе проволоки Св-08 тонкопокрытые марки АН-1.

К третьей группе сварочных материалов относятся керамические стержни и флюсы - неметаллические сварочные материалы, которые применяются в процессах сварки и пайки для получения высококачественного наплавленного металла. Это керамические стержни марок СКЧ-3 и СКВЧ-1, применяющиеся для горячей механизированной заварки дефектов небольших размеров; флюсы марок ФСЧ-1 и ФСЧ-2 применяющиеся для газовой заварки дефектов чугунными прутками; флюсы марок ФПCH-1, ФПСН-2 применяющиеся для пайки и низкотемпературной пайко-сварки латунными и медносплавленными присадками типа ЛОМНА.

С технологической точки зрения чугун является трудносвариваемым материалом, что обусловлено его хим.составом, структурой и механическими свойствами. Большая жидкотекучесть чугуна не позволяет выполнять его сварку в пространственных положениях, отличных от нижнего. Малая пластичность характеризуется возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию холодных трещин (зона температур охлаждения 250 - 400°С). Интенсивное выгорание углерода при сварке приводит к пористости сварного шва. Кроме этого, в процессе сварки чугуна образуются тугоплавкие оксиды, температура плавления которых выше, чем у самого чугуна. Кроме этого, по мере увеличения скорости охлаждения чугуна после сварки увеличивается вероятность появления белого чугуна.

Сварка чугуна применяется только при ремонте чугунных деталей. Чугунных сварных конструкций не существует. Сварку мелких дефектов, как правило, осуществляют газовой горелкой. Это диктуется как технической, так и экономической целесообразностью. Сварку средних и крупных дефектов выполняют дуговыми методами.

Наиболее распространенным является метод горячей сварки. При исправлении дефектов литья этим методом восстанавливается более 50% общего количества исправляемых отливок. Метод горячей сварки может выполняться газовыми горелками с подачей в зону сварки чугунных присадочных прутков, ручная дуговая сварка - чугунными электродами, механизированная (полуавтоматическая) дуговая сварка - порошковыми пролоками без подачи и с подачей в зону дуги керамических стержней.

Сущность горячей сварки состоит в следующем. Изделие тщательно подготавливают к сварке, разделывают и засверливают трещины, удаляют участки с литейной землей, порами, отколами от ударов, тщательно заделываются земляные и шлаковые раковины. Ремонтируемую деталь устанавливают таким образом, чтобы наплавляемая (исправляемая) поверхность находилась в горизонтальном положении. После этого подготовленный к заварке участок по контуру обкладывается формовочной смесью, которая возвышается над поверхностью детали на 8-10мм.

Так как 75% общей усадки чугуна при охлаждении имеет место в температурном интервале, лежащем ниже 700° С, то подготовленную под сварку деталь разогревают до температуры 650-700° С после чего начинается наплавка. На дефектах малых размеров наплавку выполняют газовой сваркой, а на больших - электродуговой. Электродуговая наплавка электродами ведется при силе тока дуги 1200А, электродом 16мм при силе тока до 1400А. При сварке порошковыми одиночными проволоками диаметром 3-3,2мм сила тока дуги составляет 700-900А, а тремя такими проволоками одновременно, проходящими через один мундштук сила тока достигает 1500А. Сварка проволокой Св-08 с подачей в дугу керамических стержней типа ЦСКЧ-2 производится при силе тока дуги 380-400А и падении напряжения 36-38В. При этом средняя скорость расплавления стержня на прямой полярности составляет 47,2 г/мин, на обратной полярности- 52,8 г/мин. В земляной форме металл наплавляется до уровня, превышающего поверхность детали на 5-8мм. При этом наплавка завершается таким образом, чтобы весь наплавляемый участок одновременно находился в жидком или по температуре близкому к расплавленному состоянию. Термообработку заваренных деталей производят немедленно после сварки с использованием тех же средств, что и при нагреве, т.е. в печах камерного типа с выкатным полом, ямного типа, горнах различных конструкций, а так же переносными горелками. Режимы термообработки следующие. В печах нагрев до 700°С (быстрый), выдержка 1-1.5 ч., охлаждение с печью до температуры 200-250°С; на горелках нагрев до 650-700°С, выдержка 1-1.5 ч.; переносными горелками нагрев до 650-700°С и выдержка 1-1.5 ч. При остывании деталь укутывают асбестом или песком. Деталь может подогрваться не вся, а частично, тогда и термообработка должна производиться частично.

После термообработки детали поступают на механическую обработку.

В практике заварки дефектов чугуна применяются так же технологии газопламенной низкотемпературной пайко-сварки чугунными или латунными присадочными материалами, а также наплавочными порошковыми сплавами, методом газопорошковой наплавки (напыления). В случае пайко-сварки массивных деталей или деталей сложной конструкции для предотвращения трещин в наплавке применяют предварительный нагрев детали до температуры 300-400°С. Деталь тщательно подготавливают к проведению сварочных работ. Дефектные места тщательно зачищают механическим способом, вырубают неметаллические включения, расчищают раковины. Подготовленную под сварку поверхность нагревают пламенем горелки с небольшим избытком кислорода для выжигания поверхностногоо углерода до температуры 850-950°С. Затем на разогретую поверхность подается флюс, который расплавляясь взаимодействует с поверхностным углеродом, снижает межфазную поверхностную энергию и улучшает условия смачивания. Затем в пламени горелки начинают расплавлять чугунный присадочный пруток, который каплями стекает на твердую разогретую поверхность, образуя на ней сварной шов или наплавленный валик. Расплавляя присадочный пруток одновременно вводят дополнительный флюс, наплавку ведут без перерыва. Если приходится прерывать процесс, то возобновляют его после полной очистки поверхности. Наплавку продолжают до тех пор пока возвышение ее над поверхностью детали в зоне дефекта не достигнет 2-3мм. Исправленное место засыпают сухой землей, песком, накрывают листом асбеста для замедления скорости охлаждения.

Пайко-сварку чугуна латунными присадками целесообразно выполнять тогда, когда разница в цвете и твердости основного и наплавленного металла не является ведущим показателем. Процесс осуществляется следующим образом. Кромки дефекта нагревают, посыпают флюсом и обслуживают, натирая прутком латуни. При этом пламя должно быть нейтральным. Затем начинается процесс заварки. По окончании процесса заваренный дефект следует подогреть по контуру, деталь укрыть асбестом или засыпать песком для более медленного охлаждения. Мощность пламени определяется возможностями наконечников № 4 и 5. В качестве присадочного материала используют ЛОК, ЛОМНА, Л63. В качестве флюсов ФПСН-2 или МАФ-1. При необходимости исправлять дефекты на финишных операциях механической обработки чугунных изделий применяется газопорошковая наплавка самофлюсующимися порошковыми сплавами. У горелок ГАЛ-2-68 и ГАЛ-4-72 для выполнения операции на корпусе вмонтирован специальный герметичный бункер, в который засыпается самофлюсующийся порошок.

Горелка имеет два последовательно расположенных кислородных инжектора - первый через отсекатель связан с порошковым бункером и когда отсекатель открыт инжектор засасывает порошок в кислородный канал. Второй инжектор служит для засасывания в горелку горючего газа. Перед наплавкой осуществляется подготовка дефектного места под сварку методами приведенными выше. После этого производится местный подогрев поверхности дефекта 400-450°С. Затем над нагретой поверхностью быстро проносят горелку с полностью открытым отсекателем, в результате чего выдуваемый порошок образует тончайший слой на ремонтируемый поверхности детали. Эту операцию называют облуживанием с целью предохранения поверхности от окисления. После этого начинается наплавка дефектного участка, которую выполняют с прерывистой подачей порошка до полного расплавления зерен порошкового сплава. Перед началом операции наплавки горючего газа в горелке должно быть примерно вдвое больше, чем кислорода. В этом случае пламя при подаче порошка приближается к нормальному. Заплавление дефекта следует начинать с центра и по мере заполнения переходить к краям до полного выравнивания с поверхностью здорового металла или превышения его на 1-1.5мм. После окончания наплавку необходимо прогреть пламенем горелки. Исправленное место по периметру разделки дефекта проковать вручную. В качестве порошковых сплавов применяются порошки НПЧ-1, НПЧ-2, НПЧ-3, НПЧ-4. Предел прочности наплавленного металла на разрыв ~24-27 кг/мм², а износостойкость его сопоставима с износостойкостью чугуна СЧ 21-40.

Холодная сварка чугуна осуществляется электродуговым способом. При холодной сварке металлургические процессы в сварочной ванне и процессы кристаллизации наплавленного металла протекают в условиях очень быстрого охлаждения. Основной металл- чугун, переходящий в шов насыщает металл шва углеродом. В зоне сплавления из-за высоких скоростей охлаждения (свыше 30°С/с) углерод расплавленного чугуна не успевает выделиться в виде графита и застывает в связанном состоянии, образуя твердую прослойку. Однако самым слабым местом сварного соединения при холодной сварке является зона термического влияния – часть основного металла , прилегающая к шву в которой под воздействием термического цикла сварки происходит изменение структуры и возникают внутренние напряжения, приводящие из-за низких пластических свойств чугуна к образованию трещин. Даже если трещин не возникает, структурные изменения в зоне термовлияния приводят к снижению прочности серого чугуна в околошовной зоне примерно на 15-20% по сравнению с прочностью основного металла. С увеличением термического цикла, а так же роста температуры при непрерывных процессах сварки создается значительный местный перегрев, увеличиваются внутренние напряжения, которые приводят к образованию трещин в теле отливки. Скорость нарастания температуры в зоне сварки в основном зависит от режима сварки и толщины стенки детали т.к. в тонкостенных деталях отвод теплоты в массу изделия слишком замедлен. В то же время даже при холодной сварке толстостенных (толщина стенки более 30мм) деталей из чугуна наплавить валик длиной более 250мм без трещин не удается. Поэтому режимы сварки делают заниженными и в зависимости от толщины стенки ограничивают площади однослойной наплавки, которые можно производить за один проход до перерыва на охлаждение. Охлаждение допустимой площади наплавки производится до температур

60-80°С.

Толщина стенки (мм)
Допустимая площадь наплавки, см² (до перерыва на охлаждение	5-8	10-12	15-20	20-25	25-30	30-35

Если деталь после сварки должна проходить механическую обработку, а дефекты несквозные незначительных и средних размеров, то холодная сварка выполняется электродами на медно-никелевой основе. Организован промышленный выпуск таких электродов марки МНЧ-2. Рациональная область применения этих электродов дефекты с глубиной после разделки 15-20мм с площадью до 30см² без наполнителя и до 50см²- с наполнителем.

Как правило, наплавка дефекта превышает плоскость обработанной поверхности на 3-4мм. Каждый наплавленный валик зачищают от шлака и проковывают. Холодная сварка чугуна электродами на медно-стальной основе рекомендуется для исправления сквозных дефектов в виде трещин, спаев, разбитых частей, отверстий и несплошности металла. Если ремонтируемый участок должен обладать высокими прочностными свойствами, а механическая обрабатываемость его, разнородность наплавленного металла и различие цвета ремонтируемой поверхности не имеют существенного значения, применяются электроды марки ОЗЧ-2. Промышленный выпуск этих электродов осуществляет Лосиноостровский электродный завод. Наплавленный этими электродами металл представляет собой медно-стальной сплав (80% меди и 20% стали)- механическую смесь меди и стальных включений. В зоне сплавления имеются прерывистые отбеленные участки, создающие определенные трудности при механической обработке.

Холодная сварка чугуна электродам на железоникелевой основе применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить хорошую обрабатываемость шва обычным режущим инструментом с сохранением высокой прочности соединения. Электроды с железоникелевой основой марки ОЗЖН-1 обеспечивают наплавленный металл с пределом прочности 42-50кг/мм², практическое отсутствие отбела чугуна в околошовной зоне, хорошую обрабатываемость механическими способами. Они в значительной степени объединяют свойства электродов на медно-никелевой и медно-стальной основе и весьма перспективно применять их в сочетании с этими электродами. Область их применения: заварка небольших размеров на обрабатываемых поверхностях, трещин, сколов и т.п.

Сварка указанными электродами производится на режимах указанных в таблице:

Марка	Диаметр электрода, Сила мм тока, А
ОЗЖН - 1	70 - 100	100 - 130	140 - 160	170 - 200
МНЧ – 2	70 - 90	100 - 130	130 - 160	160 – 180
ОЗЧ -2	90 - 100	120 - 150	160 - 180	190 - 200

 

Техника выполнения такая же, как и при сварке медно-стальными и медно-никелевыми электродами.

Для холодной сварки применяются также стальные электроды с карбидообразующими элементами в покрытии. В качестве таких элементов используются титан и ванадий, которые связывают углерод, поступающий в шов из основного металла в трудносвариваемые мелкодисперсные карбиды. Если карбидообразующиеся содержатся в шве в избытке по отношению к углероду, то структура шва получается ферритной с включениями мелкодисперсных карбидов. Большее распространение получили электроды ЦЧ – 4 с феррованадием в покрытии.

Холодная сварка чугуна производится так же электродами чугунными или стальными с графитизирующим покрытием. Область их применения- исправление небольших дефектов на механически обрабатываемых поверхностях, не работающих в условиях трения и износа. В местах где заварка сопровождается свободной усадкой наплавленного металла, например, при приварке отбитых выступающих частей, заварке угловых дефектов и т.п. предварительного подогрева детали не требуется. При заварке дефектов (например раковин), когда затруднена свободная усадка наплавленного металла, требуется предварительный подогрев до 300-400°С. Сварка чугунными или стальными электродами с графитизируюющим покрытием может производиться на постоянном и переменном токе. Сила сварочного тока выбирается из расчета 45-50А на каждый миллиметр диаметра электрода.

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Цветные металлы и их сплавы находят все более широкое применение в таких отраслях техники как машиностроение, химическая, энергетическая, авиастроение, ракетостроение, судостроение, приборостроение и т.д. и т.п. Наиболее широкое применение нашли такие материалы как алюминий, магний, титан, медь, никель, молибден, ниобий, тантал, цирконий, гафний и сплавы на их основе.

От сталей они отличаются большим сродством к кислороду. Оксиды этих материалов более тугоплавки чем основной металл, а вряде случаев более легкоплавки. Все цветные металлы по сравнению со сталями значительно интенсивнее растворяют газы воздуха атмосферы и нтенсивнее взаимодействуют с ними химически. Все это и ряд других свойств накладывает отпечаток на особенности технологии их сварки.

 

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Чистый алюминий используется, и в конструкциях применяются в основном его сплавы. Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые (применяются в катанном, прессованном, кованном состояниях) и литейные (в виде отливок).

Деформируемые бывают неупрочняемые термообработкой (марок АМц и АМг ) и упрочняемые термообработкой (с системой легирования Al-Mg-Cu; Al-Zn-Mg; Al-Si-Mg ).

Трудность сварки Аl и его сплавов состоит в следующем:

1. Высокие теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота плавления нуждается в более интенсивном чем на сталях тепловложении и поэтому ток при сварке алюминия в 1,2-1.5 раз больше, чем на сталях.

2. Пленку Al₂O₃ покрывающую металл перед сваркой следует удалять механическим путем или травлением. В процессе сварки она удаляется катодным распылением или за счет флюсов и электродных покрытий.

3. Низкая прочность при высоких температурах (рис 4 а) способствует проваливанию сварочной ванны и для исключения этого применяют подкладки из графита и стали.

4. Высокая растворимость газов и особенно водорода (рис.4б) способствует образованию пор в металле шва при остывании. Для предотвращения возникновения пор свариваемая поверхность тщательно зачищается, а при сварке используется подогрев и на металл сварочной ванны накладываются ультразвуковые колебания .

5. Ряд алюминиевых сплавов склонен к образованию горячих или холодных трещин.

6. Значительная усадка металла шва и высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям. Для уменьшения коробления применяется раскрепление перед сваркой к жестким конструкциям (пол, постель и т.д.).

7. При сварке нагартованных или термически упрочняемых сплавов прочность сварного соединения ниже прочности основного металла.

Рис.4. Некоторые свойства алюминия в зависимости от температуры а – механические, б – растворимость водорода.

Наиболее применяемые виды сварки плавлением алюминия – это сварка в защитных газах, механизированная сварка с использованием флюса, электрошлаковая сварка, ручная дуговая сварка плавящимся электродом с покрытием, электронно-лучевая сварка.

Перед выполнением сварочных работ поверхность обезжиривают ацетоном, уайт – спиритом и другими растворителями. Окисную пленку удаляют механически проволочными щетками или производят травление едким натром, фтористым натрием с последующей промывкой и осветлением раствором 30-35% азотной кислоты. После этого осуществляется промывка и просушка сжатым воздухом. После химического травления срок хранения свариваемой поверхности достигает 4 суток. После механической зачистки сварку рекомендуется производить не позже чем через 3 часа.

Сварочную проволоку обезжиривают, травят в 15% растворе натрия технического, промывают в воде, сушат и дегазируют (прокаливание при T=300° на воздухе или в вакууме).

 

СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

 

 

В качестве защитных газов при сварке алюминия применяются только аргон высшего и первого сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.

Сварка может производится плавящимся или неплавящимся электродом. В качестве неплавящегося применяют керамические прутки чистого вольфрама марки ЭВЧ, вольфрама с присадкой окиси иттрия ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3, вольфрама с присадкой окиси лантана марки ЭВЛ, вольфрама с присадкой двуокиси тория марки ЭВТ-15.

Ручную сварку алюминия неплавящимся электродом рекомендуется производить источником переменного тока (300 или 600 Гц) т.к. при сварке постоянным током на обратной полярности возможно разрушение рабочего конца (на средних