Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

Стойкость сварных соединений против образования холодных трещин может быть также повышена с помощью применения технологии сварки с «мягкими прослойками», при которой первые слои многослойного шва выполняются менее прочным и более пластичным металлом по сравнению с последующими слоями. В отдельных случаях («жесткие» соединения большой толщины) малопрочные пластичные швы накладываются в процессе заполнения разделки кромок в один-два слоя.

Для обеспечения требуемых служебных и технологических свойств сварных соединений из низколегированных бейнитномартенситных сталей при выборе технологии сварки необходимо учитывать:

–влияние химического состава стали;

–толщину свариваемого металла;

–параметры режима сварки;

–температуру предварительного подогрева;

–химический состав сварочных материалов;

–содержание водорода в металле шва;

–тип сварного соединения;

–разделку кромок.

Критериями при определении диапазона режимов сварки и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла зоны термического влияния.

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.

Минимально допустимая скорость охлаждения должна ограничивать неблагоприятное изменение структуры и снижение ударной вязкости металла зоны перегрева. Величину этой скорости охлаждения определяют с учетом показателей ударной вязкости металла снадрезомполинии сплавления.

81

При увеличении погонной энергии сварки у линии сплавления может образоваться участок с крупнозернистой структурой, что приводит к снижению ударной вязкости, особенно при низких температурах. Кроме того, длительное пребывание металла зоны термического влияния при температурах, превышающих температуру отпуска стали, может вызвать разупрочнение металла.

Например, диапазон оптимальных скоростей охлаждения для сталей:

–W6/5 = 3,5…13,5 град/с – 14Х2ГМР;

–W6/5 = 2…17, 3…12 град/с – 12ГН2МФАЮ и 14ХГН2МДАФБ

соответственно.

Таким образом, при сварке бейнитно-мартенситных сталей скорость охлаждения целесообразно регулировать, изменяя как погонную энергию сварки, так и температуру предварительного подогрева или «отдыха».

4.1.3. Технология сварки бейнитно-мартенситных сталей

Сварка покрытыми электродами

Электроды для ручной электродуговой сварки низколегированных бейнитно-мартенситных сталей должны иметь низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяются электроды типа Э70 марок АНП-2 (ГОСТ 9467–75) и АНП-6П (ТУ ИЭС 574–86). Металл, наплавленный электродами, должен соответствовать химическому составу, указанному втабл. 4.5.

Таблица 4 . 5 Химический состав металла, наплавленного электродами

82

Сварку электродами АНП-2 выполняют на постоянном токе обратной полярности. Более высокую производительность сварки (в среднем в 1,6–1,8 раза) обеспечивают электроды АНП-6П. Они позволяют выполнять сварку на постоянном и переменном токах. Металл шва, выполненный электродами АНП-2 и АНП-6П, устойчив против образования горячих и холодных трещин, обладает достаточной сопротивляемостью хрупкому разрушению при температурах до –60 °С.

Сварочный ток выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода (табл. 4.6, 4.7); при этом учитывают положение шва в пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла.

Таблица 4 . 6

Сварочный ток для электродов АНП-2, постоянный ток обратной полярности

При выполнении многослойных швов особое внимание уделяют качественному выполнению первого слоя в корне шва. Корневые швы соединений высокопрочных сталей часто выполняют перевязкой электродами диаметром 4–5 мм. Разделки кромок заполняют в зависимости от толщины металла любым из известных способов наложения швов. Последовательное наложение швов

83

применяют при сварке металла толщиной до 25 мм. Каскадный способ и способ горки используют при сварке металла большей толщины. Выбор схемы заполнения разделки кромок определяется необходимостью сохранить температуру подогрева металла в процессе сварки.

Сварку технологических участков следует производить без перерывов, не допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры предварительного подогрева. В то же время технологические участки в зависимости от толщины свариваемой стали должны быть достаточно протяженными, чтобы не допустить нагрев сварных соединений между отдельными проходами выше 200 °С. При многопроходной сварке предварительный подогрев может использоваться только при выполнении первых проходов в случае рационального использования «автоподогрева».

Механические свойства металла швов стыковых соединений, выполненных электродами АПН-2 и АПН-6П, представлены в табл. 4.8.

Таблица 4 . 8

Механические свойства металла швов стыковых соединений, выполненных электродами АПН-2 и АПН-6П

84

Сварка в защитных газах

Сварку низколегированных бейнитно-мартенситных сталей проводят в углекислом газе и в смесях аргона с углекислым газом.

При сварке в углекислом газе применяют проволоку марок Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246–70) или порошковую проволоку марок ПП-АН54 (ТУ ИЭС 389–83) и ПП-АН57 (ТУ ИЭС 390–83).

Благоприятное сочетание показателей механических свойств металлашвовприсваркесталейспределомтекучестиσ0,2 = 580…700 МПа получается при использовании порошковой проволоки с сердечником рутил-флюоритного типа (табл. 4.9). Проволока марки ПП-АН57 позволяет выполнять сварку многопроходных швов по слою флюса, шлаковую корку удаляют после выполнения 4–5 проходов. Это обеспечивает при прочих равных условиях повышение производительностисваркипосравнению спроволокойПП-АН54.

Таблица 4 . 9

Механические свойства металла швов при многопроходной сварке в CO2 стыковых соединений

При сварке в смесях на базе аргона (78 % Аr + 22 % СО2

или 75 % Аr + 20 % СО2 + 5 % О2) используют проволоку марки Св-08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и хладостойкость металла шва при сварке. При этом

85

практически отсутствует разбрызгивание, швы имеют хороший внешний вид.

Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетомвбольшинствеслучаев используютпроволокумаркиСв-08Г2С.

Диаметр проволок сплошного сечения при сварке в углекислом газе и смесях газов выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и пространственного положения шва. Проволоками диаметром 1,0–1,4 мм сваривают соединения толщиной 3–8 мм, швы

вразличных пространственных положениях, а также корневые слои многослойных соединений. В остальных случаях используют проволоку диаметром 1,6 мм.

Рекомендуемые режимы полуавтоматической сварки проволокой сплошного сечения приведены в табл. 4.10. Режимы сварки плавящимся электродом в смеси 78 % Аr + 22 % СО2 приведены

втабл. 4.11.

Таблица 4 . 1 0

Режимы механизированной сварки в углекислом газе проволокой сплошного сечения (расход газа 8–12 л/мин)

Таблица 4 . 1 1 Режимы сварки высокопрочных сталей в смеси 78 % Аr + 22 % СО2

86

Сварка под флюсом

При автоматической сварке бейнитно-мартенситных сталей применяют низкокремнистые окислительные флюсы марок АН-17М и АН-43 (ГОСТ 9087–81). Данные флюсы позволяют получать наплавленный металл с достаточно низким содержанием диффузионного водорода, неметаллических включений, серы и фосфора. Флюс АН-43 рекомендуется использовать при многопроходной сварке стыковых соединенийвузкуюразделку, атакжедлясваркиугловыхсоединений.

Сварку выполняют проволоками Св-08ХН2ГМЮ или Св-08ХН2Г2СМЮ на постоянном токе обратной или прямой полярности. Характерные механические свойства металла шва при сварке под слоем флюса приведены в табл. 4.12.

Таблица 4 . 1 2 Механические свойства металла швов при автоматической

сварке под слоем флюса

Сила сварочного тока обычно не превышает 800 А, напряжение дуги до 40 В, скорость сварки изменяют в диапазоне 13–30 м/ч.

Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной до 8 мм и выполняют на остающейся стальной под-

87

кладке или флюсовой подушке. Подкладные планки изготавливают из малоуглеродистойсталитолщиной3–6 ммишириной 40–50 мм.

Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений без скоса кромок (односторонних и двусторонних) используют проволоку марки Св-08ХН2М. Применение более легированных проволок для таких соединений нецелесообразно, поскольку в этом случае швы имеют излишне высокую прочность.

Наиболее часто стыковые соединения подготавливают со скосом кромок. Сварку корневых швов стыковых соединений высокопрочных сталей с V- или Х-образной разделкой кромок обычно выполняют проволоками марок Св-08ГА или Св-10Г2. Заполнение разделок кромок осуществляется проволоками марок Св-08ХН2ГМЮ или Св-08ХН2Г2СМЮ последовательным наложением слоев.

4.2. СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ МАРТЕНСИТНО-БЕЙНИТНЫЕ СТАЛИ

4.2.1. Состав и свойства сталей

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали содержат С в количестве до 0,4 % и более. Как правило, они легированы Ni, Cr, W, Mo, V. Оптимальное сочетание прочности, пластичности

ивязкости стали получают после термической обработки: закалка

инизкий отпуск или закалка и средний отпуск, в зависимости от марки стали.

Для повышения пластических свойств указанные стали выплавляют из чистых шихтовых материалов, а также тщательно очищают от S, Р, газов и неметаллических включений. Для получения чистых сталей их подвергают вакуумно-дуговому и электрошлаковому переплавам, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками.

Типичные представители среднеуглеродистых мартенситнобейнитных сталей, их химический состав и механические свойства приведены в табл. 4.13 и 4.14.

88

Стали 30ХГСН2А, 40ХГСН32МА, 42Х2ГСНМА и им подобные применять для изготовления сварных конструкций необходимо с большой осторожностью, так как после сварки возникает опасность хрупкого разрушения.

При изготовлении ответственных сварных изделий из закаливающихся сталей для предупреждения хрупких разрушений рекомендуются следующие меры:

–применение основного металла с регламентированными составом и свойствами (дополнительно раскисленной стали, вакуум- но-дугового или электрошлакового переплава и др.);

–применение методов сварки, обеспечивающих хорошие механические свойства металла шва;

–ограничение наличия в сварных швах различных дефектов;

–правильное конструктивное оформление элементов сварных конструкций (исключение резких переходов, скопления швов, вызывающих объемные напряжения и повышающих жесткость конструкций, предпочтительное применение стыковых швов и др.);

–повышение требований к качеству сборки (минимальные зазоры и смещения, недопустимость натягов при сборке и др.);

–применение термической обработки, обеспечивающей заданныемеханическиесвойстваиснимающей остаточныенапряжения;

–механизация и автоматизация производства сварных конструкций, что позволит обеспечить более стабильное и высокое качество сварочных работ в целом.

4.2.2. Свариваемость мартенситно-бейнитных сталей

Среднеуглеродистые мартенситно-бейнитные стали в процессе сварки склонны к образованию как горячих, так и холодных трещин. Чаще всего данные стали в сварных конструкциях применяют в термически упрочненном состоянии. В этом случае необходимо получить требуемый комплекс свойств без последующей термообработки сварных соединений.

90