Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
13.11.2023
Размер:
24.54 Mб
Скачать

немедленное проведение высокого отпуска (местного с помощью ТВЧ или общего в печи) затруднено, применяют предварительно низкий стабилизирующий отпуск при 250—300° С с последующим высоким отпуском в печи. В некоторых случаях последующий высокий отпуск не применяют, если механические свойства соеди­ нений удовлетворяют требованиям эксплуатации; опасность холодных трещин после стабилизирующего отпуска исключена.

Склонность к горячим трещинам сварных швов углеродистых и легирован­ ных конструкционных сталей, рассматриваемых в данной главе, определяется следующими факторами: 1) химическим составом металла шва, от которого зави­ сит межкристаллитная прочность и пластичность в опасном температурном интер­ вале хрупкости (ТИХ); 2) величиной и скоростью нарастания растягивающих напряжений и соответственно деформаций в ТИХ; 3) величиной первичных кристал­

 

 

 

 

литов; 4) формой сварочной ванны (шва), от

12

 

 

 

которой зависит направление роста столбча­

 

1

|

тых кристаллитов, характер их срастания, сте­

 

 

Есть трещины

пень

зональной

ликвации

и расположение

 

 

осей

кристаллитов (или

межкрцсталлитных

О Нет 1

 

 

 

 

участков) относительно

направления растя­

 

 

гивающих напряжений.

 

 

 

 

 

 

Элементами, обусловливающими

образо­

IN'

трещь

 

 

 

 

 

 

вание горячих трещин в металле углеро­

&! ГI

 

 

 

дистых и легированных швов, являются пре­

 

 

 

жде всего сера, затем углерод, фосфор, крем­

 

 

 

 

ний, медь, никель (при содержании 2,5—

Ofi

.0,6

0,8

Ю СЭ>%

4,5%), а также примеси металлов с низкой

 

 

 

 

температурой

плавления

(свинец,

олово,

Рис. 2.

Влияние Сэ и водорода

цинк). Элементами, повышающими стойкость

в стали

на образование

трещин

швов против трещин, нейтрализующими дей­

 

 

 

 

ствие серы, являются марганец, кислород,

 

 

 

 

титан, хром и

особенно

ванадий

[1, 14].

Измельчение и дезориентирование структуры металла шва,

предупреждение

развития грубой дендритной структуры с ликвациониыми

зонами за счет соот­

ветствующего

легирования и приемов

сварки — все это повышает сопротивляе­

мость швов против разрушения в температурном интервале хрупкости. Качественные конструкционные стали, содержащие минимальное количество

серы и фосфора (менее 0,035—0,025%), малочувствительны к горячим трещинам. Однако с повышением содержания углерода выше 0,25% чувствительность к горя­ чим трещинам заметно возрастает. При этом чем ниже содержание легирующих элементов, препятствующих образованию кристаллизационных трещин, тем выше склонность к трещинообразованию при одном и том же содержании углерода. В швах 'среднеуглеродистых сталей склонность к горячим трещинам резко падает при легировании марганцем до 1,8—2,5%. С этих позиций применение марганцо­ вистых сталей (10Г2А, 12Г2А и др.) той же прочности более желательно.

При сварке листов вс^ык наиболее опасными местами появления горячих трещин являются начало и конец шва. Наложение связи путем приварки техноло­ гических планок, заварка концевых участков шва в направлении от центра к краю свариваемых листов позволяют предупредить образование концевых трещин. Часто горячие трещины появляются в прихватках. Более частые прихватки, нало­ жение их с обратной стороны шва уменьшают опасность образования трещин. Снижение растягивающих внутренних напряжений при охлаждении шва в ТИХ и тем самым предупреждение горячих трещин может быть достигнуто путем умень­ шения числа и сосредоточения швов при конструировании, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов и другими мерами. Предварительный подогрев является эффективным, особенно для высокоуглеро­ дистых сталей. Температура подогрева колеблется от 150 до 500° С в зависимости от химического состава металла шва (величины Сэ), конструкции и сечения дета­ лей и других факторов.

Для снижения внутренних растягивающих напряжений в ТИХ целесообразно выполнять сварку такими методами, которые обладают наибольшей проплавляю­ щей способностью при наименьшей погонной энергии (электронный луч, плазмен­ ная дуга, импульсная дуга, сварка с активирующими флюсами и др.). Стойкость против образования горячих трещин повышается при устранении концентраторов, вызванных формой шва и подготовкой кромок под сварку. Применение швов с остающимися подкладками, сварка «в замок», швы с непроваром и т. п. являются нежелательными. Сварка встык с полным проплавом наиболее предпочтительна.

В швах углеродистых и легированных конструкционных сталей может наблю­ даться пористость. Поры образуются вследствие чрезмерного насыщения жидкого металла водородом или азотом, поступающим и.з среды, окружающей дугу, или из расплавляемого металла, и последующего их выделения при кристаллизации металла. Образование пор возможно непосредственно перед началом кристалли­ зации металла в результате запоздавшей реакции раскисления углеродом из-за недостатка в шве других раскислитслей (Si, Мп, А1). Водород может попасть в зону сварки с маслом, влагой и ржавчиной при использовании влажных электродов, флюсов и защитных газов. Ухудшение защиты сварочной зоны от воздуха и свя­ занная с этим возможность образования пор возрастают при увеличении зазоров между кромками и размеров зерен флюса, при повышении напряжения на дуге и увеличении скорости сварки.

Появление пор при сварке иногда обусловлено насыщением азотом поверх­ ности листов при их нагреве в специальных безокисдительных газовых защитных смесях в процессе металлургического производства;* Особенно это проявляется при сварке тонколистового металла без разделки кромок,

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ

Среднеуглеродистые стали. В сталях с содержанием углерода 0,30% и выше при быстром охлаждении металла в зоне термического влияния образуется твер­ дая мартенситная или трооститная структура, значительно более хрупкая, чем основной металл, что создает опасность хрупкого разрушения как в процессе изготовления изделий (холодные трещины), так и при эксплуатации. С повышением углерода повышается также опасность образования пористости в сварных швах.

Для предупреждения трещин при сварке следует применять предваритель­ ный подогрев, а после сварки — высокотемпературный отпуск для восстановле­ ния пластичности сварного соединения и снятия внутренних напряжений. Для предупреждения пористости следует использовать специальные электроды. Сред­ неуглеродистые стали применяют для изготовления малонэгруженных изделийДля повышения прочности изделия из этих сталей после сварки иногда подвергают упрочняющей термической обработке, обеспечивающей а в = 70 ч- 90 кге/мм*. Среднеуглеродистые стали не являются оптимальными для сварных конструкций. Вместо них целесообразно использовать углеродистые стали, легированные мар­ ганцем, например стали 10Г2А и 12Г2А, обеспечивающие получение сварных соединений с прочностью 46-—90 кге/мм8, стойких против образования горячих и холодных трещин, не требующих обязательной термической обработки после сварки.

Высокоуглеродистые стали. Склонность высокоуглеродистых сталей к хрупкоCIH после воздействия термического цикла сварки выражена значительно силь­ нее, чем в средпеуглеродистых сталях, и чувствительность их к горячим и холод­ ным трещинам значительно выше. Поэтому обязателен предварительный подогрев металла в месте сварки до 350—400° С, и последующий отжиг желателен до того, как сварное изделие успеет остыть до 20° С.

Легированные стали средней прочности (<г„ == 90 -f- 130 кге/мм9). При изго­ товлении сварных изделий из легированных сталей широкое применение полу­ чили стали перлитного класса типа ХГСА с меньшим или большим содержанием углерода (25ХГСА, ЗОХГСА) и сложнолегированные стали с низким содержанием

углерода (12Х2НВФА, 23Х2НВФА и др.). Конструкционные стали средней проч­ ности перлитного класса в зависимости от вида термической обработки имеют сле­ дующие структуры: при отжиге — ферритно-перлитную; при закалке — мартен­ ситную или троосто-мартенситную; при отпуске закаленной стали — троостомартенситную, трооститную, троосто-сорбитную и сорбитную.

Для изготовления сварных изделий из сталей 25ХГСА и ЗОХГСА с пределом прочности 110—130 кгс/мма после сварки применяют термическую обработку (закалку и отпуск). Изделия больших габаритных размеров целесообразно изго­ товлять из предварительно термически обработанных элементов. Для снятия внут­ ренних напряжений после сварки применяют отпуск. Эти стали рекомендуется использовать для ответственных штампо-сварных конструкций. Стали 12Х2НВФА и 23Х2НВФА упрочняют путем термической обработки (закалки в масле с после­ дующим отпуском или нормализации с отпуском). Для изготовления конструкций

из

термически

обработанных элементов рекомендуются соответственно

стали

с

ов ^5 100 кгс/мм2

и а в ^ 1 3 0 кгс/мм2, работающие при

повышенных

темпе­

ратурах (до 500° С);

допускается

термическая

обработка

этих

сталей

после

сварки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Конструкционные легированные высокопрочные стали (ов = 150 -ь 200 кгс/мм2).

Изготовление

надежных сварных

изделий из

высокопрочных

легированных

сталей (ЗОХГСНА, 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА и др.) затрудняется из-за опасности образования холодных трещин, а также повышенной чувствитель­ ности этих сталей к концентраторам напряжений при статических и особенно при динамических нагрузкак. Сварные конструкции следует проектировать с наи­ меньшей концентрацией напряжений. Все радиусы перехода от одного сечения детали к другому должны быть максимальными (предельно допустимыми из конст­ руктивных соображений).

Для повышения прочности при повторных статических нагрузках необхо­ димо создавать плавные переходы от шва к основному металлу. Даже для стыко­ вого сварного соединения целесообразно удалять усиление сварного шва и особенно проплав сварного шва, имеющий более крутой переход от шва к основному металлу. Наличие остающихся подкладок в равнопрочных сварных соединениях не допус­ кается. В тех случаях, когда механическая обработка внутренней поверхности деталей для зачистки проплава невозможна, следует производить комбинирован­ ную сварку без остающейся подкладки. При этом первый слой шва выполняют автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом без присадки с обеспечением 100% равномерного проплавления по всей длине шва. Последующие слои наносят одним из методов сварки плавящимся электродом.

Плавное формирование проплава может быть достигнуто также путем арго­ нодуговой сварки в потолочном положении неплавящимся электродом. При опти­ мальном режиме сварки в этом случае обеспечивается форма шва без занижения и без провисания проплава. При сварке соединений с толщиной кромок более 4 мм делают чашеобразную разделку с притуплением толщиной 2,0—3,0 мм со стороны сварки. Место разделки заполняют в нижнем положении методами автоматической сварки плавящимся электродом [12]. Предпочтительным соединением является стыковое. Нахлесточные и замковые соединения применять не разрешается. Тав­ ровые соединения необходимо выполнять с полным проваром и двусторонней гал­ телью с плавными переходами к основному металлу.

Сварные детали из конструкционных высокопрочных сталей рекомендуется изготовлять из металла, улучшенного вакуумно-дуговым или электрошлаковым переплавом, обладающего более высокими пластическими свойствами, изотроп­ ностью свойств вдоль и поперек волокна и содержащего минимальное число газо­ вых^!, неметаллических включений.

•Высокопрочная сталь ЗОХГСНА является сталью перлитного класса. Детали из этой стали можно обрабатывать с получением следующих пределов прочности: 160—180 кгс/мм2 после закалки в масле с последующим низким отпуском или поело изотермической закалки с низким отпуском; 150—170 кгс/мм2 и 140—160 кгс/мм2 только после изотермической закалки.

При изготовлении сварных деталей предпочтительней применять изотерми­ ческую закалку вместо закалки в масле с отпуском, так как в первом случае изделия имеют меньшую поводку, а сварные соединения и основной металл обла­ дают более высокой пластичностью и вязкостью.

Сталь ЗОХГСНА предназначена для ответственных сварных изделий с толщи­ ной в месте сварки до 40 мм. Сварные изделия из стали ЗОХГСНА следует приме­ нять с определенными ограничениями из-за высокой чувствительности стали к концентраторам напряжений, особенно при многократной статической нагрузке,

ик водородной хрупкости. Изготовлять сварные резервуары из стали ЗОХГСНА не рекомендуется. Конструкции из стали ЗОХГСНА можно изготовлять из терми­ чески обработанных элементов и подвергать термообработке (закалке) после сварки. Однако в том и другом случае равнопрочность обеспечивается соответствующим утолщением кромок, так как максимальные напряжения в околошовной зоне из-за чувствительности к концентрациям напряжений не должны быть выше 60—70% прочности основного металла (порядка 100 кгс/мм2). Переход от сварного шва к основному металлу должен быть плавным. Присадочный металл шва должен иметь повышенную пластичность и вязкость по сравнению с пластичностью и вязкостью основного металла. Прочность шва в зависимости от толщины свариваемой детали

имарки присадочной проволоки при термической обработке изделия после сварки изменяется в пределах 120—80 кгс/мм2, а при сварке предварительно закаленных деталей — в пределах 60—50 кгс/мм2.

Низколегированные стали 30Х2ГСНВМ и 42Х2ГСНМ мартенситного класса применяют для изготовления изделий ответственного-' назначения, в том числе

обечаек для емкостей, работающих под давлением

при температуре до

300° С

и подвергающихся термической обработке (закалке

с отпуском) после

сварки.

При этом допустима сварка в окончательно упрочненном состоянии только коль­ цевых, менее нагруженных швов, при утолщенных кромках в местах сварки. Конструкционные среднелегированные стали 28ХЗСНМВФА, ЗЗХЗСНМВФА, 43ХЗСНМВФА относятся к сталям мартенситного класса, обеспечивающим в свар­ ных конструкциях прочность соответственно от 160 до 200 кгс/мм2. Эти стали доста­ точно надежно работают в условиях повторно-статических нагрузок. При сварке с последующей упрочняющей термической обработкой изделий достигается проч­ ность сварных соединений не ниже 0,9 прочности основного металла. Эти стали имеют низкое содержание серы и фосфора (S + Р ^0 ,0 2 5 % ), а также других примесей, отличаются повышенной чистотой по газоиасыщенности и неметал­ лическим включениям. Эти стали в некоторых случаях выплавляют с применением ЭШП и ВДП.

Из стали 28ХЗСНМВФА изготовляют цилиндрические и шаровые баллоны высокого давления, днища, шпангоуты, обечайки для емкостей ответственного назначения и др. Сварные соединения стали 43ХЗСНМВФА обладают более высо­ кой чувствительностью к концентраторам напряжений, чем стали 28ХЗСНМВФА, поэтому из стали 43ХЗСНМВФА изготовляют узлы простой конфигурации с мини­ мальным числом сварных швов. Швы выполняют только встык, с зачисткой мест усиления и проплава.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ИСТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Всварных соединениях закаливающихся конструкционных сталей образуются зона литой структуры металла шва с химическим составом, как правило, отличным от химического состава основного металла, зона закалки с частично перегретой крупнозернистой структурой и зона отпуска. Механические свойства перечислен­ ных зон и сварного соединения могут изменяться в широких пределах для одного

итого же свариваемого материала в зависимости от структуры металла перед свар­ кой, химического состава присадочной проволоки, метода и технологии сварки и режима последующей термической обработки сварного соединения. Минимальный

предел прочности сварного соединения в зависимости от состояния металла перед сваркой и последующей термической обработки определяется прочностью основ­ ного металла в случае сварки стали в состоянии отжига, прочностыо^оны отпуска при сварке металла, предварительно упрочненного закалкой, прочностью металла шва в случае упрочняющей термической обработки после сварки.

В зависимости от размеров сварной конструкции, деформируемости ее при высокотемпературном нагреве, требований, предъявляемых к соединениям, нали­ чия оборудования для термической обработки, а также экономичности изготовления конструкции сварные соединения из среднелегированных сталей можно подвергать или не подвергать термической обработке. При этом технология сварки зависит от вида термической обработки соединений после сварки.

Сварные соединения, подвергающиеся полной термической обработке, при­ меняют во всех случаях изготовления ответственных и тяжело нагруженных конст­ рукций, когда это возможно, т. е. если позволяют габаритные размеры конструк­ ции и обеспечиваются условия предупреждения коробления при термической обработке. После полной термической обработки сварное соединение, как правило, становится равноценным основному металлу повсему комплексуфизико-химических свойств при условии, что химический состав металла шва и свариваемой стали будет одинаков.

В некоторых случаях при этом механические свойства металла шва могут быть выше, чем механические свойства основного металла, за счет более благоприятной структуры первичной кристаллизации и большей химической однородности по сравнению с катаным металлом, полученным из относительно крупных слитков. Механические свойства сталей 28ХЗСНМВФА и 42Х2ГСНМ ( 0 = 4 мм) и металла шва, выполненных электронно-лучевой и аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом с поперечными колебаниями, приведены в табл. 4. Термическая обра­ ботка сварного соединения после сварки и основного металла была одинаковой (закалка и отпуск).

4.ОДездипчесрие свойства основного металла и металла швов сталей 28ЧЗСНМВФА и 42Х2ГСНМ

Сталь

Сварка

Участок

°в

а т

соединений

кге/мм2

 

 

 

 

 

28ХЗСНМВФЛ

Аргонодуговая

Шов

187

168,2

 

с поперечными

Оснопноп

170

152

 

колебаниями

металл

 

 

о»

■3*

а н*

%кге • м/см*

1 1 .6

66.8

5,5

8,3

47,4

42Х2ГСНМ

Электронно­

Шоп

184

15,6

64,5

6 ,2

 

лучевая

Основной

182.8 144,1

0,6

26

4,3

 

 

металл

 

 

 

 

Однако иногда наблюдаются случаи, когда металл шва, близкий к основному металлу по химическом^составу, после термической обработки обладает худшими вязкостью и пластичностью. Это связано с повышенным содержанием газов, серы и фосфора в металле шва, образованием микродефектов, неполным устранением химической неоднородности и столбчатой структуры после термической обработки, проводимой не по оптимальному режиму, и другими причинами. Подобные случаи наблюдаются при газовой сварке, сварке под кислыми флюсами и в некоторых других случаях.

При сварке закаливающихся сталей иметь одинаковый химический состав металла шва и основного металла не всегда представляется возможным из-за опас­ ности образования кристаллизационных трещин. Особенно это относится к средне­ легированным сталям средних и больших толщин с[повышенным содержанием угле­ рода, никеля и кремния. В этих случаях прибегают к применению присадочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, обеспечивающей

легирование шва элементами, повышающими стойкость против трещинообразования (марганцем, хромом, титаном). При выборе состава проволоки нужно учитывать, что часть легирующих элементов и углерода поступает в шов из основного металла в соответствии с долей его участия в образовании шва. Эта доля определяется методом и режимом сварки и может изменяться в пределах 15—80%.

В сварных соединениях, подвергающихся полной термической обработке, можно меньше считаться с влиянием первичной структуры на свойства металла шва, чем в соединениях, не подвергающихся термической обработке. Грубозер­ нистая структура участка перегрева околошовной зоны при термической обработке полностью устраняется. Эго позволяет применять высокопроизводительные методы сварки, когда может образоваться первичная грубокристаллическая струк­ тура, — электрошлаковую сварку, сварку под флюсом при большой погонной энергии.

Более сложно обеспечить равнопрочность и высокую работоспособность свар­ ных соединений при сварке сталей в термически обработанном упрочненном сос­ тоянии. Прочность сварного соединения, не подвергнутого термической обработке после сварки, зависит от того, насколько изменяется структура и прочность ос­ новного металла в околошовной зоне и металла шва под влиянием нагрева при сварке. Наименее прочной при этом является зона высокого отпуска. Прочность металла в этой зоне и ширина ее зависят от марки стали и способа сварки. Чем более теплоустойчива сталь, тем менее она разупрочняется при сварке; чем быстрее протекает сварка и меньше тепловложение, тем уже зоца термического влияния и тем в меньшей степени снижается прочность основного металла. Сталь 12Х2НВФ А не разупрочняется при сварке как более теплоустойчивая, а сталь ЗОХГСА менее теплоустойчива и разупрочняется в среднем на 20%. При газовой сварке сталей типа ЗОХГСА механические свойства снижаются в большей степени, чем при дуго­ вой. Зона термического влияния при газовой сварке распространяется на ширину 30—80 мм в зависимости от толщины свариваемых кромок, тогда как при дуговой сварке эта зона равна 4—6 мм. При этом в случае газовой сварки прочность свар­ ных соединений равна 65—70 кгс/мм2, а при дуговой сварке 100—110 кгс/мм2 при прочности основного металла 120 кгс/мм2. Снижение прочности металла в зоне высокого отпуска связано с прочностью основного металла до сварки. Например,

для сварного соединения стали -ЗОХГСА, выполненного электродами

ВИЮ-6

(Св-18ХМА), наблюдается следующая зависимость:

 

 

а в сварного соединения в зоне отпуска, кгс/мм*

100—110

8&-93

70—80

о в основного металла до сварки, кгс/мм*

130

100—110

70—80

Прочность в зоне закалки (при нагреве выше точки Ас3) для стали одной и той же марки не зависит от прочности стали до сварки. На сталях типа ЗОХГСА

воколошовной зоне со структурой крупноигольчатого мартенсита предел прочности достигает 180 кгс/мм2. Однако прочность этой зоны определяется не столько пре­ делом прочности, сколько пластическими и вязкими ее свойствами, ее чувствитель­ ностью к хрупкому разрушению. При концентрации напряжений в этой зоне, сложнонапряженном состоянии, при низких температурах и других условиях, благоприятствующих хрупкому разрушению, реальная конструктивная прочность

в1,5—2 раза ниже предела прочности, определенного на гладких разрывных образцах. Это же относится и к металлу шва, имеющему состав, близкий к со­ ставу основного металла. Поэтому сварку деталей без последующей термической обработки рекомендуется применять преимущественно для среднелегированных сталей с сгв < 100 ПО кгс/мм2, при которых пластичность и вязкость металла шва и прилегающей зоны можно обеспечить достаточно высокими (как, например, для стали 12Х2НВФА). "Необходимая работоспособность термически необрабо­ танных сварных соединений закаливающихся сталей при наличии хрупких зака­ лочных структур в околошовной зоне может быть обеспечена путем применения присадочных проволок, обеспечивающих высокие пластичность и вязкость металла шва при определенном снижении его прочности.

При сварке ответственных конструкций из среднелегироваиных сталей, не подвергающихся последующей термической обработке, в тех случаях, когда равнопрочность не является обязательным условием, для обеспечения высокой плас­ тичности и вязкости швов используют сварочную проволок^ с высоким содержа­ нием легирующих элементов (Св-07Х25Н13; Св-08Х20Н9Г7Т), обеспечивающих получение металла шва с устойчивой аустенитной структурой при <jB^ 55 кгс/мм2. Эти свойства шва сохраняются и при низких температурах и при ударных нагруз­ ках. В этом случае резко повышается стойкость против образования трещин в околошовной зоне.

Для обеспечения работоспособности реальных сварных конструкций из зака­ ливающихся сталей без термической обработки после сварки необходимо пречусматривать меры, предупреждающие хрупкие преждевременные разрушения при

 

 

 

 

 

 

работе

изделий

в

условиях

низких

б в .ш

/н п *

 

 

 

температур,

опасных

концентраторов

 

 

 

 

 

 

напряжений

и

наличия

остаточных

 

 

 

 

 

 

сварочных напряжений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

понижением

температуры для

 

 

 

 

 

 

основного металла и металла шва

 

 

\+20°С

 

 

 

прочность

(сгт; ар; ств; НВ) повышает­

 

 

 

 

 

ся,

 

а пластичность

и вязкость (65, ф,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ян) снижаются. При наличии закалоч­

 

 

 

 

_ -70°С

ных структур

в сварных соединениях,

 

 

 

 

не подвергнутых термической

обработ­

 

 

 

 

 

 

ке, эти изменения могут резко усугу­

 

 

 

 

 

 

бить опасность хрупкого

разрушения.

 

 

2000

6000Nциклов

Например, сварные швы стали ЗОХГСА,

 

 

выполненные электродами ВИЮ-6 при

Рис.

3.

Влияние температуры испыта­

+

20° С,

имеют

ударную

вязкость

 

=

4 -f- 5

кгс’м/см2,

при

— 40° С

ния на

изменение

циклической

проч­

 

дн =

2,5 =

3,6 кгс«м/см2, при — 70° С

ности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ан =

0,8 -2-1,8

кгс-м/см2.

Ударная

 

 

 

 

 

 

недопустимой для

надежной

 

 

вязкость в последнем случае является

работы конструкции.

При

сварке

аустенитными

электродами перечисленные

показатели

не

изменяются

в диапазоне

темпера­

тур +

 

20u С, — 70" С и ниже.

Чувствительность

металла

сварных

швов к

низким температурам проявляется также при повторном статическом на­ гружении (при изгибе j и растяжении). На рис. 3 приведем пример сни жения прочности при повторно-статических нагрузках при понижении темпе­ ратуры испытания швов стали^ЗОХГСН А, выполненных ручной дуговой сваркой электродами ВИЮ-6 (Св-1вХМА). При этом в металле шва наблюдаются структура сорбита с грубым строением и крупные выделения феррита и цементита иглообраз­ ной формы. В случае применения термической обработки после сварки эти небла­ гоприятные структуры могут быть полностью устранены. При соответствующих технологических приемах сварки улучшение структуры со снижением структур­ ной и химической неоднородности может быть достигнуто и без последующей терми­ ческой обработки.

Остаточные напряжения в сварных конструкциях при статических одноразо­ вых нагружениях, как правило, не снижают прочности, за исключением сложных конструкций с большим скоплением швов при низкой пластичности металла. Однако при повторно-статических и вибрационных нагружениях эти напряжения стано­ вятся опасными. При этом опасны не только максимальные растягивающие напряжения в эпюре остаточных напряжений, но и общая площадь, находящаяся под воздействием растягивающих напряжений, т. е. общее количество упругой энергии, затраченное металлом ha сопротивление этим напряжениям. Чем это значение выше, тем более затруднена релаксация напряжений в местах концент­ раций и вероятнее хрупкое разрушение. С этой точки зрения сварка источниками с большой плотностью тепловой энергии, например аргонодуговая (особенно

в импульсном режиме), плазменная, электронно-лучевая, обеспечивает более надежное работоспособное соединение, чем газовая сварка или сварка под слоем флюса.

Эффективным средством повышения работоспособности при повторно-стати­ ческих и вибрационных нагрузках является поверхностная обработка (вибронак­ леп, обработка дробью, обкатка роликами, наклеп пневмомоЛотком)»Поверхност­ ная обработка снимает остаточные напряжения растяжения и создает напряжения сжатия в поверхностном слое, улучшает поверхность и устраняет концентра­ торы путем создания плавных переходов от шва к основному металлу и устране­ ния поверхностных дефектов. Проковка сварных стыковых соединений снижает сварочные остаточные напряжения вдоль шва на 75% ; проковка перекрестных швов снижает остаточные сварочные напряжения в месте их пересечения в 2—4 раза. Наклеп дробью, пневмомолотком или обкаткой роликом существенно не влияет на предел прочности сварного соединения и ударную вязкость, однако обеспечивает высокий упрочняющий эффект при повторно-статических и вибрационных нагру­ жениях. Предел выносливости сварных соединений при этом увеличивается на 30—60%, а долговечность, т. е. число нагружений, в 3—5 раз. Поверхностный наклеп является эффективным как для сварных изделий без термической обработки, так и для изделий, термически обработанных после сварки.

При необходимости несколько повысить механические свойства металла шва

иоколошовной зоны и снять сварочные напряжения иногда прибегают к высокому или низкому отпуску конструкций после сварки. Высокий отпуск (нагрев до 600-— 650° С) более эффективен, чем низкий (до 200—300° Cf, так как обеспечивает сня­ тие сварочных напряжений и устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность сварного соединения несколько понижается, а пластичность

иударная вязкость существенно повышаются. Отпуск не обеспечивает перекристал­ лизации металла и, следовательно, не может устранить ни столбчатой структуры шва, ни перегрева в околошовной зоне. Для этой цели необходимо применять те же технологические мероприятия, что й в случае сварки без последующей термиче­ ской обработки.

Повышение пластичности и вязкости металла шва в результате отпуска допускает его большее легирование, по сравнению с легированием швов, не под­ вергающихся термической обработке. В связи с этим в соединениях, подвергаю­ щихся отпуску, превращение переохлажденного аустенита в металле шва может происходить в области бейнитного и мартенситного превращения с образованием игольчатой структуры (чего нельзя допускать в швах без термической обработки). При отпуске такой металл приобретает высокую пластичность и вязкость в сочета­ нии с достаточно высокой прочностью. Если подвергнуть отпуску соединения, не повышая легирования металла шва, то прочностные и вязкие свойства его могут заметно снизиться. Сварка с присадочной проволокой, состав которой аналогичен составу основного металла, или сварка путем переплава основного металла без присадочной проволоки^ в этом случае являются обоснованными. Этот вариант часто применяют для сварки высокопрочных сталей типа 28ХЗСНМВФА, ЗЗХЗСНМВФА, 43ХЗСНМВФА, 42Х2ГСНМ и 30Х2ГСНВМ. При изготовлении ответственные изделия из высокопрочных сталей с ав ^ 150 кгс/мм2 (например, крупногабаритные емкости, работающие под давлением) с целью повышения плас­ тических и вязких свойств подвергают местному высокотемпературному отпуску с регламентированной шириной зоны отпуска с помощью индукторов ТВЧ. Эту операцию выполняют преимущественно на кольцевых швах, соединяющих пред­ варительно упрочненные обечайки, обечайки со шпангоутами, стыки трубопрово­ дов и др. При выборе оптимальной ширины зоны разупрочнения, несмотря на более низкую прочность (60—70% прочности основного металла), обеспечивается равнопрочность емкостей, работающих под давлением, и высокая надежность при повтор­ но-статических нагружениях [ 10].

Для сталей типа 28ХЗСНМВФА ширина разупрочиенной зоны при диаметре сосуда 1м может достигать 20—30 мм при сохранении равнопрочности без примене­ ния утолщения в месте соединения. Местный индукционный нагрев сварного соеди-

б п/р. Акулова А. И., т. 2

нения с образованием зоны, регламентированной по механическим свойствам и ширине, позволяет не применять общую термическую обработку конструкции, сваривать элементы из высокопрочных среднелегированных сталей в упрочненном состоянии и обеспечивает надежную равнопрочность и работоспособность изделия. Местный отпуск после сварки, без снятия изделия со стапеля, гарантирует от появ­ ления холодных сварочных трещин.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СВАРКЕ

При разработке технологических процессов сварки среднеуглеродистых и легированных конструкционных сталей, для обеспечения надежных с заданными эксплуатационными характеристиками изделий необходимо предусматривать некоторые положения.

1.Правку, вальцовку, штамповку и другие операции формообразования свариваемых заготовок выполнять в отожженном состоянии.

2.Подготовку свариваемых кромок выполнять на металлорежущих станках (строгание, фрезерование, точение, резку на ножницах тонких листов), что обес­ печивает необходимую точность сборки и отсутствие изменения структуры металла

вместе реза. Газовую резку при подготовке кромок можно применять как исклю­

чение в условиях монтажа крупногабаритных сооружений для сталей с прочностью до 100 кгс/мм2.

3. Поверхность металла в зоне сварки очищать от окалины, ржавчины и дру­ гих загрязнений, а также от влаги. Перечисленные загрязнения создают условия для образования пористости, окисных включений, а в некоторых случаях и тре­ щин в металле шва (за счет насыщения металла водородом). Зачистку производить на участке шириной не-менее 10—15 мм как сверху, так и снизу свариваемых кромок, а также торца, если последний имеет окисленную поверхность. Зачистку производят, как правило, вручную абразивными кругами и щетками, или на песко­ струйных и дробеструйных аппаратах. Сказанное относится ко всем типам соеди­ нений: стыковым, угловым, тавровым и т. д.

4. В случае сварки деталей, упрочненных термической обработкой, особенно крупногабаритных, подготовку кромок под сварку (подрезку торца, выполнение разделки кромок) и их зачистку следует выполнять после термической обработки для обеспечения необходимых точности сборки свариваемых деталей и парамет­ ров шероховатости поверхности.

5.При сборке деталей под сварку обеспечивать надежное закрепление дета­ лей относительно друг друга. При этом смещение кромок должно быть минималь­ ным и не превышать 10—15% толщины свариваемых кромок. Зазоры между кром­ ками должны быть минимальными и постоянными по величине за исключением специальных случаев сварки в щелевой зазор. Сварочные приспособления должны обеспечивать фиксирование свариваемых деталей, предупреждая изменение зазора

исмещение кромок в процессе сварки.

6.При необходимости прихваток для фиксирования деталей в месте сварки их размеры и расположение должны обеспечивать необходимую прочность и воз­ можность полной переварки при укладке основных швов. Прихватки выполняют с особой тщательностью, их металл не должен иметь пор и трещин. Кратеры при­ хваток должны быть заварены. Перед наложением основного шва прихватки необ­ ходимо тщательно зачищать.

7.Сварку среднеуглеродистых сталей (35, 40 и др.) следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применением присадочной проволоки с низким содержанием углерода и уменьшением доли основного металла в металле шва. Следует также обеспечить получение швов с боль­ шим коэффициентом формы, выбрать режимы сварки и число слоев с учетом полу­ чения минимальной зоны термического влияния, предупреждения опасного роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия хрупких закалочных струк­ тур. Последнее часто может быть обеспечено применением предварительного

Подготовка деталей, сборка и общие рекомендации по сварке

131

подогрева до 250—300° С. Многослойная сварка одной или двумя раздвинутыми дугами электродами малого диаметра, применение низкоуглеродистых или низко­ легированных проволок (Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2) в сочетании с флюсами или покрытиями, дополнительно легирующими шов марганцем и кремнием (флюс АН-348-А, электроды УОНИ-13/55 и др.), способствуют получению работоспособ­ ных сварных швов. Наиболее часто применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами и автоматическую сварку под флюсом. При изготовлении крупно­ габаритных толстостенных конструкций целесообразно применять электрошлаковую сварку как высокопроизводительный процесс, позволяющий за один проход сваривать металл неограниченной толщины.

8.Перечисленные мероприятия не предотвращают полностью закалки металла

воколошовной зоне, и для получения высоких пластичных и вязких свойств сварно­ го соединения необходимо применять последующую термическую обработку — от­ пуск или закалку с отпуском, особенно при наличии соединений больших толщин. На среднеуглеродистых сталях удовлетворительное соединение можно получить всеми видами сварки, за исключением газовой. После сварки необходим отпуск при 650° С; изделия сложной конфигурации и с толщиной стенок более 15 мм сваривают с предварительным подогревом до 200°С. Стали 10Г2Аи 12Г2А используют в констру­ кциях при толщине листов до 4 мм. Стали сваривают всеми видами сварки, в том числе и газовой. Конструкции можно изготовлять из нормализованных элемен­ тов без термической обработки после сварки. При сварке легированных конструк­ ционных сталей режимы сварки, технику сварки и сварочные материалы выби­ рают из необходимости предупреждения образования-холодных трещин в шве и околошовной зоне и обеспечения конструктивной прочности сварного соединения, равной прочности основного металла. Для этого в технологическом процессе необходимо предусмотреть выполнение рекомендаций, изложенных при рассмот­ рении средств борьбы с холодными трещинами. Сварку производят по возможности без перерывов. Ветер и сквозняк, а также низкая температура при сварке не допус­ каются. При возрастании тока увеличивается нагрев стали в зоне шва и замед­ ляется ее охлаждение. В результате этого сталь закаливается слабее. Однако повышенными режимами следует пользоваться с осторожностью, так как может возникнуть опасность значительного перегрева в околошовной зоне и образование горячих кристаллизационных трещин в шве из-за появления грубой дендритной

структуры. Для уменьшения закалки основного металла сварку производят в несколько проходов. При многослойной сварке отдельные накладываемые валики должны быть одинакового сечения. При этом зона отпуска от наложения после­ дующих валиков частично проходит по зоне закалки предыдущих валиков и отпускает ее, что приводит к равномерному отпуску всей зоны термического влия­ ния. При наложении валиков разного сечения около шва остаются прослойки закаленной стали, которые могут дать закалочные трещины. Последний валик, называемый отжигающим, необходимо накладывать при температуре шва 300° С таким образом, чтобы он не касался основного металла и зона закалки от него не пе­ реходила на основной металл. Правильная форма шва имеет особое значение при сварке закаливающихся легированных сталей. Недопустимы подрезы и непро­ вары в сварных швах. Неровности шва, резкие переходы шва к основному метал­ лу, грубые проплавы и т. п. могут служить очагами появления трещин или приво­ дить к хрупким разрушениям при нагружении изделия. Для улучшения формы перехода от шва к основному металлу, например, при сварке трубчатых конструк­ ций с угловыми швами, применяют наложение дополнительных сглаживающих валиков газовой или аргонодуговой сваркой (сварка с усом). С этой же целью осуществляют и механическую обработку швов.

9. При изготовлении сварных изделий из легированных сталей с пределом прочности 100 кге/мм2 и более применяют следующие виды термической обработки: а) предварительную до сварки с целью снятия остаточных напряжений после гибки, штамповки и т. п. путем отжига или придания деталям перед сваркой соот­ ветствующих механических свойств с помощью закалки и отпуска; б) промежуточ­ ную для устранения повышенной твердости шва и зоны закалки (с целью выпол-