Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
СОДЕРЖАНИЕ
С. |
|
ВВЕДЕНИЕ |
3 |
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ применяемых материалов |
4 |
1.1 Сварка углеродистых сталей |
4 |
1.2 Сварка низколегированных и среднелегированных сталей |
5 |
1.2.1 Сварка низколегированных и среднелегированных сталей повышенной прочности |
6 |
1.2.2 Сварка жаропрочных (теплоустойчивых) перлитных сталей |
7 |
1.2.3 Сварка низколегированных и среднелегированных бейнитно-мартенситных сталей |
9 |
1.3 Сварка средне- и высоколегированных сталей различных структурныхклассов |
11 |
1.3.1 Сварка хромистых сталей мартенситного класса |
12 |
1.3.2 Сварка хромистых мартенситно-ферритных сталей |
13 |
1.3.3 Сварка хромистых сталей ферритного класса |
14 |
1.3.4 Сварка аустенитных жаропрочных сталей |
15 |
1.3.5 Сварка аустенитных коррозионностойких сталей |
16 |
1.3.6 Сварка аустенитно-ферритных нержавеющих сталей |
17 |
1.3.7 Сварка аустенитно-мартенситных сталей |
17 |
1.3.8 Сварка мартенситно-стареющих сталей |
18 |
1.3.9 Сварка высоколегированных сплавов на никелевой основе |
19 |
1.4 Сварка разнородных материалов |
19 |
1.5 Сварка чугуна |
21 |
2 ВЫБОР ПРИСАДОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ |
24 |
2.1 Сварка однородных материалов |
24 |
2.1.1 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами |
24 |
2.1.2 Сварка под флюсом |
26 |
|
2.1.3 Сварка в среде защитных газов |
27 |
2.1.4 Электрошлаковая сварка |
28 |
2.2 Сварка разнородных материалов |
29 |
2.2.1 Ручная дуговая сварка |
29 |
2.2.2 Сварка под флюсом, в среде защитных газов и электрошлаковая сварка |
30 |
3 Расчет режимА РУЧНОЙ ДУГОВОЙ сварки |
32 |
3.1 Методика расчета режимов ручной дуговой сварки |
32 |
4 РАСЧЕТ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ СВАРКИ В СРЕДЕ CO2 И В СМЕСИ ГАЗОВ |
35 |
5 РАСЧЕТ РЕЖИМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ |
40 |
6 РАСЧЕТ РЕЖИМА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ |
44 |
7 ПОДБОР СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ |
46 |
8 ОБОЗНАЧЕНИЕ СВАРНЫХ ШВОВ НА ЧЕРТЕЖЕ |
50 |
8.1 Изображение швов |
50 |
8.2 Условное обозначение стандартного шва |
51 |
8.3 Условное обозначение нестандартного шва |
55 |
8.4 Расположение на чертеже обозначения шва и его характеристик |
56 |
8.5 Упрощения при обозначении сварных швов |
57 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ |
59 |
Сварочная техника и технология занимают одно из ведущих мест в современном производстве. При изготовлении оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий широкое распространение получила сварка плавлением, при которой под действием источника тепла кромки металла свариваемых элементов (основной металл) и, если необходимо, дополнительный металл (сварочная проволока и др.) расплавляются в месте соединения, совместно образуя сварочную ванну. В сварочной ванне происходят различные физико-химические взаимодействия. При охлаждении металл сварочной ванны кристаллизуется и образует сварной шов, соединяющий свариваемые элементы. В отличие от основного металла, структура которого характерна измельченным после пластической деформации зерном (прокатка и т.д. за исключением сварно-литых конструкций) металл шва всегда имеет структуру литого металла с укрупненным зерном. Его химический состав и свойства могут значительно отличаться от состава и свойств основного металла.
Рядом со швом в основном металле под действием тепла, распространяющегося из зоны сварки, происходят структурные изменения (зона термического влияния). Таким образом, сварное соединение, т.е. металл шва и зоны термического влияния, характеризуется разнообразием структур, и соответственно механических свойств. Последующая термическая обработка позволяет уменьшить это различие.
При сварке плавлением в качестве источника тепла используют различные источники: высокотемпературное газовое пламя (газовая сварка), электрическую дугу (электродуговая сварка), теплоту выделяемую в шлаковой ванне проходящим через нее электрическим током (электрошлаковая сварка), теплоту струи ионизированных газов плазмы (плазменная сварка), теплоту, выделяемую в металле в результате преобразования в нее кинетической энергии электронов (электронно-лучевая сварка), теплоту когерентного светового луча лазера (лазерная сварка) и некоторые другие.
Из способов сварки плавлением наиболее широко используется электродуговая сварка. Она имеет много разновидностей: в зависимости от способа защиты зоны сварки от воздуха и металлургических взаимодействий в ней и в металле сварочной ванны - это сварка покрытыми электродами, под флюсом, в защитных газах, порошковой проволокой; по степени механизации она может быть ручной, полуавтоматической и автоматической. Наибольшее распространение получили ручная сварка покрытыми электродами, полуавтоматическая сварка в среде защитных газов и автоматическая сварка под слоем флюса, расчет режимов которых рассмотрен в данном учебно-методическом пособии.
Сварка плавлением используется для соединения практически всех используемых в технике металлов толщиной от долей миллиметра до сотен сантиметров. Широкие возможности сварки плавлением облегчают решение задач, стоящих перед инженерами-технологами. Однако разработанный технологический процесс должен не только обеспечить требуемые свойства сварных соединений, но быть экономичным и экологически приемлемым, поэтому при разработке технологического процесса изготовления целесообразна разработка нескольких его вариантов с использованием ЭВМ для выбора оптимального.
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Различают физическую и технологическую свариваемость:
- физическая свариваемость – свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью (такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами);
- технологическая свариваемость – технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.
Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов. Основные показатели (критерии) свариваемости металлов и их сплавов:
- чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменением в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;
- сопротивляемость образованию горячих трещин;
- сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;
- чувствительность к образованию пор;
- соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям, к таким свойствам относят: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионную стойкость и др.
Кроме перечисленных основных показателей свариваемости, имеются еще показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий.
1.1 Сварка углеродистых сталей [1]
В углеродистых конструкционных сталях, широко используемых в нефтяном и химическом машиностроении, содержание углерода обычно оставляет 0,06 ... 0,9 %. Углерод является основным легирующим элементом и определяет механические свойства этой группы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Стали с содержанием до 0,25 % углерода относятся к низкоуглеродистым, с содержанием 0,26...0,45 % - к среднеуглеродистым. К высокоуглеродистым относятся стали, содержащие 0,45...0,75 % углерода, они отличаются плохой свариваемостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций.
Температурная область применения углеродистых сталей от – 40 до + 425 °С. По качественному признаку низкоуглеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные.
Сталь обыкновенного качества поставляют без термообработки в горячекатаном состоянии. Изготовленные из нее конструкции обычно также не подвергают последующей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-94 (марки типа Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, ВСт3сп и т.д.).
Качественные углеродистые стали поставляют с различными видами термообработки по ГОСТ 1577-93, 1050-88 (Сталь 10, 15, 20 и т.д.), стали для котлостроения ГОСТ 5520-79 (15К, 16К, 20К).
Углерод является основным элементом, который определяет механические свойства этой группы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Поэтому свариваемость углеродистых сталей можно условно оценить по эквивалентному содержанию углерода, которое определяется по формуле [11]
, (1.1)
где С, Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, P – процентное содержание химических элементов в стали;
S – толщина свариваемой детали, мм.
Стали, которые имеют Сэ < 25%, хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов, толщин и конструктивных форм.
Удовлетворительно сваривающиеся стали (0,25 < Сэ 0,35 %) мало склонны к образованию холодных трещин при правильном подборе режимов сварки, в ряде случаев требуется подогрев.
Ограниченно сваривающиеся стали (0,35 < Сэ 0,45 %) склонны к холодным трещинам, возможность регулирования сопротивляемости образованию трещин изменением режимов сварки ограничена, требуется подогрев.
Плохо сваривающиеся стали (Сэ >0,45%) весьма склонны к закалке и трещинам, требуют при сварке подогрева, специальных технологических приемов сварки и термообработки.
1.2 Сварка низколегированных и среднелегированных сталей
Существующая технология сварки этих сталей и сварочные материалы обеспечивают необходимую стойкость металла шва против образования горячих трещин и требуемые характеристики сварного соединения, но не исключают склонности сварных соединений к образованию холодных трещин и разупрочнение металла в зоне термического влияния сварки.
1.2.1 Сварка низколегированных и среднелегированных сталей повышенной прочности [3]
К низколегированным относятся стали, содержащие в своем составе до 2% легирующих элементов каждого в отдельности и до 5% суммарно (Mn, Si, Cr, Ni и т.д.).
Номенклатура низколегированных сталей весьма широка, определена в ГОСТ 5520; ГОСТ 4543, ГОСТ 1050, ГОСТ 5058 и в ряде временных технических условий. Различают марганцовистые (14Г, 16Г, 17Г), кремнемарганцовистые (16ГС, 09Г2С, 10Г2С1), хромокремнемарганцовистые (14ХГС) и другие (16ГН, 10ХСНД и т.д.).
Низколегированные стали повышенной прочности имеют, так же, как и углеродистые стали, феррито-перлитную структуру, поэтому свариваемость для них определяется аналогично углеродистым сталям.
Температуру предварительного подогрева для повышения сопротивляемости металла шва к холодным трещинам определяют в зависимости от эквивалента углерода Cэ и толщины свариваемой заготовки (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - График подбора температуры предварительного подогрева
Примерами марок среднеуглеродистых и среднелегированных сталей этой группы могут служить 35Х, 40Г, 13ХГМРБ, 14Х2ГМ, ЗОХГТ, ЗОХГНА, ЗОХГСА, 42Х2ГСНМА и др. В зависимости от режима термообработки временное сопротивление этих сталей составляет 600...1500 МПа. Содержание углерода в них доходит до 0,5 % при суммарном легировании другими элементами до 3...4 %.
Повышение содержания углерода, а также степени легирования стали увеличивает склонность к закалке. Такие стали обладают высокой чувствительностью к термическому циклу сварки и околошовная зона оказывается закаленной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва.
Для снижения скорости охлаждения околошовной зоны с целью получения в ней структур, обладающих некоторым запасом пластичности, достаточным для предотвращения образования трещин под действием термодеформационного цикла, при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.
Температуру подогрева металла перед сваркой можно оценить по методике, учитывающей химический состав свариваемой стали и ее толщину. Согласно этой методике полный эквивалент углерода Сэ определяют по формуле
Сэ = Сх + Ср, (1.2)
где Сх - химический эквивалент углерода;
Ср - размерный эквивалент углерода.
, (1.3)
Ср = 0,005S · Сх, (1.4)
где S - толщина свариваемой стали, мм.
Тогда полный эквивалент углерода можно определить по формуле
Сэ = Сх(1 +0,005S). (1.5)
Определив полный эквивалент углерода, необходимую температуру предварительного подогрева находят по формуле
Тп= 350. (1.6)
Полученная температура предварительного подогрева должна быть проверена и откорректирована путем определения действительных скоростей охлаждения при сварке на принятых режимах и сопоставления результатов расчета с рекомендуемым для данной марки стали диапазоном допустимых скоростей охлаждения.
1.2.2 Сварка жаропрочных (теплоустойчивых) перлитных сталей [1]
К жаропрочным перлитным сталям относятся низколегированные хро-момолибденовые стали 12МХ (ГОСТ 20072), 12ХМ (ГОСТ 5520), 15ХМ (ГОСТ 4543), предназначенные для работы при 450...550°С, хромомолибденованадиевые: 12Х1МФ (ГОСТ 5520-79), 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ (ОСТ 108.961.04-80), предназначенные для работы при 550…600°С, и др.
Жаропрочные перлитные стали используют в энергетическом, химическом и нефтехимическом машиностроении. Так, например, литейные стали 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ применяют для отливки корпусов турбин и запорной арматуры, а деформируемые стали 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР для изготовления корпусов аппаратов, паропроводов, технологических трубопроводов и поверхностей нагрева котлов.
Холодные трещины могут возникать в процессе сварки или непосредственно после ее окончания в результате образования троостита и мартенсита в участках околошовной зоны, нагретых выше температуры АС3, под влиянием водорода и действием напряжений, вызванных неравномерным нагревом и структурными превращениями. В связи с тем, что растворимость диффузионно-подвижного водорода при нормальной температуре в низколегированных сталях мала, давление его в несплошностях жаропрочной перлитной стали может достигать 0,0981·106 МПа, что может приводить к образованию микротрещин (флокенов) в охрупченных участках сварного соединения. В связи с этим для сварки рекомендуют использовать низководородные сварочные материалы (электроды с основным покрытием, осушенные защитные газы, прокаленные флюсы).
Влияние напряжений на образование трещин зависит от жесткости сварной конструкции, которая связана с толщиной свариваемых элементов. Это необходимо учитывать при выборе методов предотвращения образования холодных трещин.
Одним из наиболее надежных средств предотвращения возникновения холодных трещин является сопутствующий местный или общий подогрев изделия. Подогрев уменьшает разницу температур металла в зоне сварки, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках металла сглаживаются, и предотвращает превращение аустенита в мартенсит. Повышение температуры свариваемого металла способствует увеличению диффузионной подвижности водорода и удалению его из сварного соединения, а также повышает пластичность и деформационную способность металла. Однако при сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничивать не только нижний, но и верхний предел температур подогрева, так как при распаде аустенита в высокотемпературной области образуется грубая ферритно-перлитная структура с пониженным пределом длительной прочности и низкой ударной вязкостью.
В некоторых случаях необходима выдержка сварных соединений после окончания сварки в течение нескольких часов для завершения превращения остаточного аустенита и эвакуации водорода.
Режимы термообработки при сварке для сталей данной группы принимаются по таблицам 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1 – Температура предварительного и сопутствующего подогрева [1]
|
Марка стали |
Толщина свариваемых деталей, мм |
Температура подогрева, °С |
|
12МХ, 12ХМ, 15ХМ |
<10 10…30 >30 |
- 150…300 200 ...350 |
|
20ХМЛ, 12Х1МФ |
<6 6…30 >30 |
- 200…350 250…400 |
|
15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ |
<6 6…30 Свыше 30 |
- 250...400 300...450 |
Таблица 1.2 – Режимы отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой
|
Марка стали |
Толщина свариваемых деталей, мм |
Минимальная продолжительность выдержки, ч |
Марка стали |
Толщина свариваемых деталей, мм |
Минимальная продолжительность выдержки, ч |
|
Отпуск, Т= 715 ± 15°С |
20...40 |
3 |
|||
|
12ХМ |
10 |
- |
40...80 |
4 |
|
|
12ХМ |
10...20 |
1 |
>80 |
5 |
|
|
15ХМ |
20...40 |
2 |
Отпуск, Т = 745 ± 15°С |
||
|
20ХМЛ |
40...80 |
3 |
15Х1М1Ф |
<6 |
- |
|
>80 |
4 |
15Х1М1ФЛ |
6... 10 |
1 |
|
|
Отпуск, Т= 735± 15°С |
12Х2МФСР |
10...20 |
2 |
||
|
12Х1МФ |
<6 |
- |
20...40 |
3 |
|
|
20ХМФЛ |
6...10 |
1 |
40...80 |
5 |
|
|
10...20 |
2 |
>80 |
7 |
||
|
Примечание - Скорость нагрева сварных соединений из хромомолибденованадиевых сталей в интервале 500…700°С должна быть не менее 60°С/ч. |
1.2.3 Сварка низколегированных и среднелегированных бейнитно-мартенситных сталей [1]
Высокопрочные стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать хорошей пластичностью, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению и удовлетворительной свариваемостью. Необходимый комплекс технологических свойств сталей обеспечивается структурой, которая формируется в процессе мартенситного или бейнитного превращений и определяется легированием и термообработкой.
Основные марки низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей: 13ХГМРБ, 14Х2ГМ, 14ХГН2МДАФБ, 12Г2СМФАЮ, 12ХГН2МФБДАЮ, 12ХГНЗМАФД-СШ и др.
Низкоуглеродистые бейнитно-мартенситные стали имеют ограниченное содержание С, Ni, Si, S и Р. Поэтому при соблюдении режимов сварки и правильном применении присадочных материалов горячие трещины отсутствуют.
Наиболее распространенным и опасным дефектом сварных соединений сталей являются холодные трещины в зоне термического влияния и металле шва, возникающие в закаленной структуре под влиянием водорода и сварочных напряжений. Поэтому основными показателями свариваемости низкоуглеродистых бейнитно-мартенситных сталей являются сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам и хрупкому разрушению и механические свойства зоны термического влияния, которые прежде всего связаны с фазовыми превращениями и структурными изменениями, происходящими в стали при сварке.
Оптимальные механические свойства и высокую сопротивляемость хрупкому разрушению при отрицательной температуре они приобретают после закалки или нормализации и последующего высокого отпуска.
Высокая сопротивляемость сварных соединений низкоуглеродистых легированных сталей образованию трещин обеспечивается в случае, когда содержание диффузионного водорода в наплавленном металле не превышает 3,5...4,0 мл/100 г. Более высокая концентрация водорода приводит к снижению сопротивляемости соединений образованию холодных трещин. Для предотвращения образования холодных трещин в этих сталях необходимы ограничения допускаемых скоростей охлаждения.
Для предотвращения образования холодных трещин при сварке соединений большой толщины следует применять предварительный подогрев. Как правило, он назначается при сварке металла толщиной свыше 20 мм. Температура подогрева 80...100°С. При сварке металла толщиной свыше 40 мм температура подогрева 100...150°С. При температуре окружающего воздуха ниже 0°С необходим предварительный подогрев свариваемых кромок до 100...120°С для металла толщиной менее 30 мм и 130...150°С для металла большей толщины. Подогрев сварных соединений наиболее эффективен, если его осуществлять равномерно по всей длине шва с двух сторон от разделки кромок на ширину не менее 100 мм.
Критериями при определении диапазона режимов сварки и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла околошовной зоны. Максимально допустимые скорости охлаждения сталей принимаются таким образом, чтобы предотвратить образование холодных трещин в металле околошовной зоны. Величину этой скорости охлаждения определяют экспериментальным путем по результатам испытаний технологических проб или же расчетным путем.
Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали содержат углерод в количестве 0,4% и более. Типичными представителями являются 42Х2ГСНМА, 40ХГСН3МА, 30Х2ГСНВМА, 30ХГНС2А, 30ХГСА и 25ХГСА. Среднеуглеродистые мартенситно-бейнитные стали применяют в конструкциях в термически упрочненном состоянии. В этом случае необходимо получить искомый комплекс свойств без термообработки сварных соединений.
При сварке термически упрочненных среднеуглеродистых мартенситно-бейнитных сталей трудности возникают из-за возникновения холодных трещин, а также разупрочнения основного металла в участке зоны термического влияния, нагреваемого до температуры высокого отпуска. Наиболее заметно разупрочнение на участке, нагреваемом до температур 500...770 °С. При этом его минимальная твердость остается практически постоянной и не зависит от погонной энергии сварки.
Методы, способствующие уменьшению склонности околошовной зоны сварных соединений к образованию трещин, предусматривают сварку с применением источников, обеспечивающих концентрированный нагрев с малыми погонными энергиями; рафинирование и модифицирование основного металла; применение аустенитных и легированных ферритных электродных проволок с пониженной температурой плавления; ослабление непосредственного воздействия источника нагрева на свариваемые кромки путем увеличения количества расплавляемого присадочного металла за счет горячей или холодной присадки, крошки и др.; применение наплавки кромок и т.д.
Для обеспечения эксплуатационной надежности сварных соединений необходимо при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения.
1.3 Сварка средне- и высоколегированных сталей различных структурных классов
Независимо от структурного класса легированной стали, содержащей в своем составе никель, необходимо определить её склонность к горячим трещинам, так как находящийся в ней Ni при определенных условиях может образовывать легкоплавкое соединение NiS2.
Склонность к образованию горячих трещин определяется отношением
/, (1.7)
где и - соответственно эквивалентные содержания хрома и никеля в стали определяются по формулам
= Cr + Mo + 2(Al + Ti) + Nb + W + 0,5Ta + 1,5Si; (1.8)
= Ni + 30C + 12B + Co + 0,5Mn. (1.9)
Если />1 , то данный материал не склонен к образованию горячих трещин, и наоборот.
Следовательно, для повышения технологической прочности можно регулировать состав металла шва, выбирая электродный или присадочный металл, содержащий больше легирующих элементов, увеличивающих , если это не ухудшит заданные свойства сварного соединения.
Форма шва определяет преимущественное расположение ликвационных прослоек между столбчатыми кристаллитами по отношению к растягивающим напряжениям, возникающим при усадке металла, а также величину этих прослоек. Узкий шов с глубоким проплавлением наиболее склонен к образованию горячих трещин. Столбчатые кристаллиты в нем растут навстречу друг другу, образуя в центре шва обширную ликвационную прослойку, которая расположена поперек преимущественного направления напряжений.
Формы большинства сварных швов можно характеризовать тремя основными размерами:
– глубиной проплавления металла (hпр);
– высотой усиления сварного шва (q);
– шириной усиления сварного шва (е).
Кроме того, для характеристики формы шва используют коэффициент формы шва, который определяется по формуле
. (1.10)
При увеличении коэффициента формы шва кристаллиты располагаются под углом к оси шва и смыкаются только в верхней его части. Ликвационные прослойки невелики и расположены под углом к направлению напряжений. Стойкость такого шва против горячих трещин увеличивается, но при дальнейшем увеличении коэффициента формы шва вновь может снизиться, так как увеличиваются размеры ликвационных прослоек. Оптимальна форма шва с коэффициентом .
Уменьшить склонность сварных швов к горячим трещинам можно, уменьшая скорость сварки. При этом уменьшается скорость охлаждения, напряжения в металле нарастают медленнее, металл межкристаллитных прослоек успевает деформироваться без разрушения, трещины не образуются. Тот же эффект можно получить, подогревая детали перед сваркой до температуры 300...400°С.
Наиболее эффективное средство борьбы с горячими трещинами - это создание в сварочной ванне условий для образования мелкозернистой структуры с минимальной химической неоднородностью. Способы создания такой структуры (обработка ультразвуком, вибрационная обработка и т.д.) рассмотрены в различных литературных источниках.
1.3.1 Сварка хромистых сталей мартенситного класса
Промышленно широко освоены стали марок 15Х5М, 15Х5ВФ, Х9М, 12Х8ВФ, 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, 10Х12НД, 18Х11МНФБ (ГОСТ 7350). Обладают, по сравнению с углеродистыми, высокой коррозионной стойкостью в горячих сернистых средах. Из них изготавливают корпуса и внутренние элементы аппаратов, печные и коммуникационные трубопроводы с рабочей температурой среды до 600°С.
Эти стали выгодно отличаются от высоколегированных аустенитных сталей более низкой стоимостью, лучшей деформируемостью в горячем состоянии и обрабатываемостью резанием; более высокой теплопроводностью и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения, большей релаксационной способностью и возможностью изменения механических свойств в широких пределах посредством термической обработки.
Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в состоянии закалки усложняет технологию их сварки. При содержании углерода более 0,10 % мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин при сварке из-за высокой степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. В сварных соединениях мартенситных сталей трещины могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температурах ниже температуры начала мартенситного превращения Мн (для высокохромистых сталей не более 360 °С), а также в процессе выдержки при нормальной температуре (замедленное разрушение). С увеличением содержания углерода точки Мн и Мк (температура окончания мартенситного превращения обычно 240 °С) еще более понижаются, что приводит к возрастанию твердости мартенсита и его хрупкости. Учитывая это, а также необходимость обеспечения сварным соединениям высокой пластичности и ударной вязкости, содержание углерода в хромистых мартенситных сталях ограничивают до 0,20 %. Для предотвращения образования холодных трещин при сварке 11...12 %-ных хромистых сталей применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200 ... 450 °С. Температура подогрева тем выше, чем выше склонность стали к закалке. В то же время температура подогрева не должна быть чрезмерно высокой, так как это может привести к отпускной хрупкости вследствие снижения скорости охлаждения металла в околошовной зоне в интервале температур карбидо-образования. Кроме того, высокий подогрев, как и сварка с высокой погонной энергией, обеспечивает длительный перегрев околошовного металла, который вызывает рост зерна, скопление примесей на границах зерен и, как следствие, снижение пластичности и вязкости сварных соединений.
Лучшие свойства сварных соединений достигаются в случае предварительного подогрева в интервале Мн - Мк, а также применения сварки с принудительным сопутствующим охлаждением [19].
Малоуглеродистые хромистые стали, дополнительно легированные никелем, образуют при закалке мартенсит, отличающийся вследствие низкого содержания углерода высокой пластичностью и вязкостью, не склонный к образованию холодных трещин при сварке. Однако чувствительность металла швов к водородной хрупкости вызывает необходимость при их сварке предварительного и сопутствующего подогрева до 100...200 °С. Улучшению свариваемости этих сталей способствует также остаточный аустенит.
1.3.2 Сварка хромистых мартенситно-ферритных сталей
Хромистые мартенситно-ферритные (полуферритные) стали марок 08X13, 12X13, 20X13, 08Х14МФ и др. (ГОСТ 5632) находят довольно широкое применение при изготовлении аппаратов и энергетического оборудования.
Наиболее широкое применение имеют стали марок 08X13 и 08X14МФ с пониженным содержанием углерода. Сталь 08X13 используют как в виде однородного листа и труб, так и коррозионно-стойкого слоя биметалла. Сваренные детали из стали 08X13 применяют в основном для изготовления внутренних устройств аппаратов и энергетического оборудования, не подлежащих контролю надзорных органов за безопасной эксплуатацией. Биметалл с плакирующим слоем из стали 08X13 используют для изготовления нефтехимического оборудования, работающего под давлением при температурах от - 40 до 560 °С.
Сталь 08X14МФ применяется в основном в виде труб для изготовления теплообменного оборудования, работающего при температурах до 350 °С. Стали 12X13 и 20X13 с повышенным содержанием углерода используют для изготовления деталей различных турбин и насосов с температурой эксплуатации до 500 °С.
Сталь марки 14Х17Н2 со значительно большим содержанием хрома, но имеющая мартенситно-ферритную структуру благодаря дополнительному легированию никелем, отличается высокой коррозионной стойкостью, не склонна к межкристаллитной коррозии.
С целью снижения склонности к холодным трещинам и восстановлению механических свойств сварного шва сварка мартенситно-ферритных сталей производится в основном с предварительным и сопутствующим подогревом. Особенности теплового режима сварки мартенситно-ферритных сталей приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3
|
Сталь, марка |
Температура подогрева, °С |
Время пролеживания до термической обработки, ч |
Термическая обработка |
|
08X13 |
150…250 |
Не ограничено |
Отпуск при 680…700°С |
|
08X14МФ |
Без подогрева |
- |
Не производится |
|
12X13 |
>300 |
2 |
Отпуск при 700…720°С |
|
20X13 |
>300 |
2 |
|
|
14Х17Н2 |
150…250 |
Не ограничено |
Отпуск при 620…640°С |
1.3.3 Сварка хромистых сталей ферритного класса
Высокохромистые ферритные стали являются перспективным конструкционным материалом. По сопротивляемости коррозии ферритные стали 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28, ЭП882-ВИ и другие не уступают хромоникелевым аустенитным сталям, значительно превосходят их по стойкости к коррозионному растрескиванию. При дополнительном легировании алюминием и кремнием хромистые ферритные стали 08Х23С2Ю (сихромаль-12) и ЭП904-ВИ могут быть использованы для изготовления оборудования, работающего в условиях окисления при температурах до 1200°С. Широкое применение ферритных сталей позволило бы решить проблему дефицита никеля путем замены ими распространенных в настоящее время аустенитных сталей.
Высокохромистые стали ферритного класса склонны к дополнительному охрупчиванию под воздействием нагрева. Ударная вязкость и пластичность металла в зоне термического влияния сварных соединений приближаются к нулю. У этих сталей не удается предотвратить интенсивный рост зерна при сварке плавлением. Наиболее крупные зерна образуются на участке перегрева, где температура достигает температуры солидуса. Охрупчивание околошовного участка распространяется на слой, непосредственно примыкающий к линии сплавления и нагретый выше 1000°С.
Охрупчивание ферритных сталей возможно также после выдержки в интервалах температур 400…850°С. Ударная вязкость стали после кратковременного нагрева до 475°С снижается до 0,3 против 0,9 МДж/м2.
Хрупкость при 475°С может быть устранена нагревом до 750...760°С, который практически полностью восстанавливает исходный уровень пластичности и вязкости стали. Более высокие температуры нагрева не эффективны, так как способствуют росту ферритного зерна, появлению хладноломкости при
нормальной температуре вследствие формирования грубозернистой структуры. Во избежание образования трещин сварку, правку и все операции, связанные с ударными нагрузками, рекомендуется проводить с подогревом до 150 ... 200°С.
Однако подогрев при сварке отрицательно влияет на пластичность металла с ферритной структурой, так как уменьшает скорость охлаждения и увеличивает продолжительность выдержки в интервале температур, близких к 475°С. Ускоренное охлаждение (100 °С/с) повышает пластичность стали со структурой перегрева.
Особенности теплового режима сварки хромистых ферритных сталей приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4
|
Сталь, марка |
Температура подогрева, °С |
Время пролеживания до термической обработки, ч |
Термическая обработка |
|
08Х17Т, 15Х25Т, 15X28 |
150…200 |
- |
- |
|
08Х23С2Ю |
200…250 |
Не допускается |
Отжиг при 900°С |
|
ЭП882-ВИ |
Без подогрева |
- |
- |
|
ЭП904-ВИ |
Без подогрева |
- |
- |
1.3.4 Сварка аустенитных жаропрочных сталей
Аустенитные жаропрочные стали по типу легирования и по характеру упрочнения делят на две группы. Первая - это гомогенные стали, не упрочняемые термообработкой: Х14Н16Б, Х18Н12Т, Х23Н18, Х16Н9М2 и др. Они способны длительно работать под напряжением при температуре до 500 °С. Ко второй группе относят гетерогенные стали, упрочняемые закалкой и старением: Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 1Х15Н35ВТР. Такие стали способны длительно работать под напряжением при температуре до 700 °С. Из них изготавливают изделия, испытывающие при работе совместное действие напряжений, высокой температуры и агрессивных сред: лопатки газовых турбин, камеры сгорания и горячие тракты газотурбинных двигателей, трубопроводы с перегретым паром и т.п.
Аустенитные жаропрочные стали склонны к горячим трещинам при сварке и к охрупчиванию сварных конструкций. Поэтому при сварке, особенно изделий, работающих при температуре до 600°С, применяют материалы, обеспечивающие присутствие в металле шва 1...2 % ферритной фазы. Это условие выполняется при сварке электродами ЦТ-26, ЦТ-16, ЦТ-7, КТИ-5.
При выборе режима сварки главная проблема - предотвращение горячих трещин в металле шва и в ЗТВ. Наиболее эффективно регулирование скорости сварки, которая может быть уменьшена до 6 м/ч. Повысить стойкость швов против горячих трещин и улучшить механические свойства сварного шва можно внешними технологическими воздействиями: перемешиванием сварочной ванны путем механического или электромагнитного воздействия; интенсивным охлаждением сварочной ванны подачей в нее твердого присадочного материала или струи воды.
1.3.5 Сварка аустенитных коррозионностойких сталей
К аустенитным коррозионно-стойким относят хромоникелевые стали типа 18-10 (содержащие 18 % Сr и 10 % Ni), хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые, хромоникелемолибденовые и высококремнистые стали. Наиболее распространена сталь 18-10, поскольку высокое содержание в ней хрома и никеля обеспечивает коррозионную стойкость в сочетании с жаростойкостью.
Аустенитные стали обладают повышенной склонностью к образованию горячих трещин. Одним из основных способов повышения стойкости к образованию горячих трещин является ограничение содержания серы и уменьшение углерода в стали. Чаще всего для избежания горячих трещин в аустенитных швах электроды и присадочную проволоку выбирают такой, чтобы по химическому составу металл шва отличался от свариваемого материала. При сварке аустенитных сталей толщиной более 14...16 мм устойчивость против трещин достигается легированием швов Mn, Mo, Ni и исключением из них Ti, Nb и А1. Можно использовать многослойные композитные швы: обращенную в сторону агрессивной среды часть шва выполнять материалами, обеспечивающими химический состав металла шва, более близкий к свариваемому металлу.
Ещё одним недостатком аустенитных сталей является их склонность к межкристаллитной коррозии. Коррозионную стойкость сталям придает хром. Но при температуре 500...700°С интенсивно образуются карбиды хрома типа Сr4С, выпадающие по границам зерен металла, которые обедняются хромом и теряют коррозионную стойкость.
Чтобы добиться стойкости стали против межкристаллитной коррозии, нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов, т.е. стабилизировать свойства стали, что достигается:
1) уменьшением содержания углерода (< 0,03% в стали и швах);
2) присадкой сильных, по сравнению с Сr, карбидообразующих элементов (Ti, Nb, Mo). Эти элементы связывают углерод в стойкие карбиды и хром остается в твердом растворе:
08Х18Н10- склонна к МКК;
08Х18Н10Т - стабилизирована Ti;
08Х18Н10Б - стабилизирована Nb;
3) созданием двухфазной аустенитно-ферритной структуры в металле шва, которая нарушает непрерывность карбидной сетки. Скорость диффузии хрома в феррите выше, чем в аустените;
4) закалкой на аустенит, т.е. нагрев до температур 1050…1100°С, выдержка 1…1,5 мин на 1мм толщины с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Нагрев вызывает распад карбидов хрома и перевод его в твердый раствор, быстрое охлаждение не позволяет в области критических температур вновь образоваться карбидам хрома.
Те же цели преследует стабилизирующий отжиг. Нагрев до температур 850…920°С, выдержка 2…4 часа, охлаждение на воздухе;
5) применением высоких скоростей охлаждения металла в области критических температур при сварке путем принудительного охлаждения, использованием малых значений погонной энергии сварки.
1.3.6 Сварка аустенитно-ферритных нержавеющих сталей
К аустенитно-ферритным коррозионно-стойким относятся стали, в которых содержание хрома в 1,5...4 раза превышает содержание никеля. Это, например, стали 08Х22Н6Т, 12Х22Н6Т, ОЗХ23Н6, 20Х23Н13. Эти стали имеют высокие пределы прочности и текучести, хорошую коррозионную стойкость и хорошо свариваются. При изготовлении из них, например, сварной химической аппаратуры можно уменьшить расход металла за счет уменьшения толщины листа.
Аустенитно-ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых. Они стойки к образованию горячих трещин и против межкристаллитной коррозии. Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна.
Из-за повышенной склонности к росту зерна при выполнении сварки предпочтительны способы с невысокими погонными энергиями и большой скоростью охлаждения. Режимы сварки не отличаются от общепринятых для всего класса нержавеющих сталей. Подготовка кромок под все виды сварки производится механическим способом, чтобы исключить возникновение зон, снижающих регламентированные свойства. При сварке деталей с толщиной кромок 16...20 мм рекомендуется обрабатывать границы шва с основным материалом сварочной дугой, горящей в аргоне с неплавящегося электрода. Такой местный нагрев с малой погонной энергией обеспечивает мелкозернистую ферритную структуру с аустенитными прослойками по границам зерен. Это повышает пластичность и коррозионную стойкость.
Для улучшения пластичных свойств сварных соединений рекомендуется проводить последующую термическую обработку (закалка выше 1000°С с охлаждением в воде).
1.3.7 Сварка аустенитно-мартенситных сталей
К аустенитно-мартенситному классу в соответствии с ГОСТ 5632-72 относятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменить в широких пределах. К этому классу относятся стали, химический состав которых выбран с соотношением легирующих элементов, обеспечивающих начало мартенситного превращения при 20-60 °С. Представители этого класса сталей - 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 08Х17Н5М3, 10Х15Н4АМ3.
Указанные стали рекомендуются к применению как высокопрочные стали для изделий, работающих в атмосферных условиях, уксуснокислых и других солевых средах, а также для упругих элементов. Учитывая высокую пластичность и вязкость металла после закалки, из сталей целесообразно изготовить детали посредством глубокой штамповки с последующим упрочнением отпуском.
Влияние термического цикла сварки приводит к структурным изменениям, вызывающим охрупчивание металла, а также снижение его коррозионной стойкости и стойкости против межкристаллитной коррозии. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций, к которым предъявляются требования высокой прочности, вязкости и коррозионной стойкости сварных соединений, целесообразно предусмотреть полный цикл термообработки, включающий закалку с температур 950…1000°С, обработку холодом - 70°С, отпуск (старение) при температурах 200…450°С.
Соединения стали аустенитно-мартенситного класса целесообразно выполнять аргоно-дуговой сваркой без присадки, контактной точечной или роликовой, а также электронно-лучевой сваркой.
В случае сварки соединений, для которых отсутствует требование равнопрочности, допускается ручная электродуговая сварка электродами, дающими аустенитный направленный металл, либо механизированная сварка под слоем флюса.
1.3.8 Сварка мартенситно-стареющих сталей
Мартенситно-стареющими называют стали, увеличивающие прочность в результате структурных превращений (старения), происходящих во время выдержки этих сталей при температуре 300...400 °С. Они содержат 18...25 % никеля и 7...10 % кобальта с добавками молибдена, титана и алюминия, например, стали Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ. Другая система легирования основана на сочетании никеля (5...10 %) с хромом (10...13 %) с добавками молибдена, титана и алюминия или кобальта и вольфрама, что обеспечивает прочность после старения до 1570 МПа (160 кгс/мм2). Пример таких сталей: Х12Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ.
Из-за относительно высокой стоимости мартенситно-стареющие стали применяют в конструкциях, требующих повышения удельной прочности металла при низкой чувствительности к надрезам и трещиноподобным дефектам. Это, например, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, изделия криогенного назначения. Перспективно использование этих сталей для износостойкой наплавки.
Мартенситно-стареющие стали хорошо свариваются всеми способами сварки. Они мало чувствительны к образованию холодных и горячих трещин, обеспечивают высокие механические свойства сварных соединений. Технология сварки проста и надежна. Сваривать можно без подогрева и без последующего отпуска, обеспечивая нужные свойства операцией старения. Чаще всего применяют электронно-лучевую и дуговую сварку в аргоне с неплавящимся электродом и с присадочной проволокой близкого к основному металлу состава. Применяют импульсную дугу, колебания электрода поперек стыка деталей. Большие толщины сваривают в щелевую разделку (устанавливая между кромками деталей зазор, в который вводят электрод). Все это обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва и близкие к основному металлу механические свойства.
1.3.9 Сварка высоколегированных сплавов на никелевой основе
Высоколегированные сплавы никеля обладают наряду с высокой жаропрочностью и окалиностойкостью значительной коррозионной стойкостью в газовых, соляных и жидкометаллических средах и могут эксплуатироваться до температур 1000…1100°С. Никелевые сплавы делят на две группы: гомогенные нетермоупрочняемые и гетерогенные термоупрочняемые дисперсионным твердением. Отечественные марки высоколегированных сплавов на никелевой основе: ХН77ТЮ (ЭИ437А), ХН70ВМТЮ (ЭИ617), ХН67ВМТЮ (ЭП202), ХН60ВМТЮ (ЭП539), ХН75ВМТЮ (ЭИ602), ХН70МВТЮ (ЭП99), ХН62МБВЮ.
При сварке этих сплавов металл шва обладает большой склонностью к образованию кристаллизационных трещин. Главной причиной горячих трещин является образование по границам кристаллитов легкоплавких эвтектик Ni3S + Ni (Тпл = 645°С) и Ni3P + Ni (Тпл = 880°С). Для предотвращения образования кристаллизационных трещин ограничивают содержание в основном металле и в сварочных материалах серы и фосфора до 0,005 %. Для связывания серы в тугоплавкие соединения металл шва легируют до 5 % Мn, до 0,1 % Mg, до 0,06 % Li.
Технологические меры в основном заключаются в уменьшении содержания вредных примесей и быстром охлаждении при сварке, поэтому предпочтительны виды сварки с высококонцентрированными источниками энергии, неплавящимися электродами.
Послесварочная термообработка проводится следующими способами [3]:
- для гомогенных сплавов аустенизация сварных узлов при температуре 1050…1200°С растворяет избыточные фазы и полностью снимает сварочные напряжения;
- для гетерогенных сплавов двукратная термическая обработка: аустенизация и стабилизирующий отжиг с двухступенчатым старением при 900°С в течение 84 ч и при 850°С в течение 154 ч приводят к дисперсионному твердению из-за выделения избыточных фаз. Такая термообработка эффективна также для устранения высокотемпературного охрупчивания при эксплуатации.
1.4 Сварка разнородных материалов
Соединения из разнородных сталей применяют:
- в узлах аппаратов и трубопроводов, в которых условия коррозии и эксплуатационные параметры существенно различны;
- в сопряженных опорных и рабочих частях аппаратов из легированных сталей;
- в деталях из двухслойного проката и с обкладкой.
Имеет место разнородное сочетание сталей следующих структурных классов:
1) феррито-перлитные и полуферритные;
2) феррито-перлитные и ферритные;
3) феррито-перлитные и аустенитные;
4) перлитные жаропрочные и аустенитные.
Свариваемость, т.е. пригодность сталей к формированию качественных сварных соединений, является комплексной характеристикой, включающей показатели технологической прочности (стойкость против образования горячих и холодных трещин) и показатели эксплутационной прочности. Неоднородность различного типа, присущая сварным соединениям рассматриваемого вида, а также ее изменение во времени, обусловливают зависимость их эксплуатационной прочности от времени и температуры. Поэтому свариваемость сочетания разнородных сталей неадекватна ее составляющим и требует решения ряда дополнительных самостоятельных проблем путем применения специальной технологии сварки. Они вызваны существенными отличиями сталей: по химическому составу; коэффициентам линейного расширения; температуре плавления и теплофизическим свойствам; температуре фазовых и структурных превращений. Это приводит к получению швов аномального химического состава, которые принципиально отличаются от каждой из свариваемых сталей по механическим свойствам и их стабильности, склонности к закалке и структурным изменениям при нормальных и рабочих температурах в процессе эксплуатации.
Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления. Наибольшую опасность представляет диффузия углерода в сторону высоколегированной стали, где большая концентрация хрома или других карбидообразующих элементов. Диффузия углерода снижается:
1) использованием низколегированных сталей, содержащих сильные карбидообразующие элементы (Сr, V, Ti, Nb);
2) облицовкой свариваемых кромок сплавами, медленно диффундирующими углерод, т.е. наплавка кромок шва электродами с аустенитной и аустенитно-ферритной структурой на никелевой основе.
В процессе разбавления происходит перемешивание свариваемых сталей и присадочного материала в объеме сварочной ванны. Полученную структуру можно теоретически определить с помощью диаграммы Шеффлера (рисунок 1.2).
Металл шва, соответствующий области А, имеет однофазную аусте-нитную структуру, весьма склонную к образованию горячих трещин кристаллизационного и подсолидусного типа. Шов со структурой А + Ф, т.е. с аустенитно-ферритной структурой, при повторных нагревах претерпевает охрупчивание. Для швов со структурой Ф (феррит) характерен рост зерна при высоких температурах и хрупкость при нормальных. Швы со структурой М, М + А, М + Ф, М + А + Ф имеют мартенситную составляющую, вызывающую образование холодных трещин. Это осложняет обеспечение свариваемости при сварке сочетаний разнородных сталей, так как различные дефекты возникают не только в шве, но и в околошовной зоне.
Рисунок 1.2 – Структурная диаграмма высоколегированных сталей
(диаграмма Шеффлера)
Неоднородность химического состава сварного соединения, сложившаяся после его кристаллизации, вызывает внутренние напряжения, их концентрацию в отдельных зонах с пониженной прочностью, что приводит к локальным разрушениям соединения или понижению его антикоррозионных свойств.
Высокотемпературная эксплуатация сварных соединений инициирует развитие диффузионных процессов, приводящих к перемещению отдельных атомов в более стабильное, с термодинамических позиций, положение, что вызывает образование хрупких и малопрочных прослоек, понижение их длительной прочности, коррозионной стойкости и агрегатной прочности всего соединения.
Специальная технология сварки позволяет свести к минимуму указанные негативные явления путем управления формированием структуры при сварке сталей в разнородных сочетаниях. При выборе сварочных материалов и режимов сварки применяют качественные и количественные методы оценки сопротивляемости образованию горячих и холодных трещин.
1.5 Сварка чугуна
Чугун получил широкое распространение как конструкционный ма териал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материалами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее, вместе с хорошими литейными свойствами, позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11 % (2,14 %). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы и 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 Fe3C - 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 ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от состава и скорости охлаждения.
В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), среднелегированные (2,5...10 % легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10 % легирующих элементов).
Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны. Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П + Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П + Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации, другие препятствуют. Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, хром, поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.
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 очень большое распространение как средство исправления брака чугунного литья, ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкции.
Причины, затрудняющие получение качественных сварных соединений из чугуна, следующие:
- высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т.е. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом;
- 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, чем серый чугун, создает дополнительные структурные напряжения, способствующие трещинообразованию;
- интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва;
- повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва;
- наличие кремния, а иногда и других элементов в металле сварочной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.
При сварке чугуна широко используют металлургические и технологические средства воздействия на металл шва с целью повышения качества сварных соединений. К ним относятся предварительный подогрев (для снижения скоростей охлаждения) и легирование (для графитизации металла сварочной ванны, а также ввод кислородсодержащих компонентов для выжигания углерода). Основные мероприятия по улучшению процесса сварки чугуна приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5
|
Режим |
Температура подогрева, °С |
Легирование |
|
Горячая сварка чугуна |
600…650 |
- |
|
Полугорячая сварка чугуна |
300…400 |
Si, Mg |
|
Холодная сварка чугуна |
- |
FeO2, Cu, Ni, Si, Mg |
PAGE 11
[%Cr]=%Cr+%Mo+1,5%Si+0,5%Nb
[%Ni]=%Ni+30%C+0,5%Mn+30%N2
М
А+М
М+Ф
Ф
А+Ф
Ф+М
А+М+Ф