Лабораторная работа № 5 Выбор основных конструкционных металлов и сплавов для изготовления сварных конструкций
Цель работы: изучить влияние химического состава, структуры, физических показателей сплавов на их свариваемость.
Задание: произвести оценку свариваемости отдельных групп конструкционных сплавов.
Предварительную оценку свариваемости железоуглеродистых сплавов можно производить через эквивалент содержания углерода:
Сэкв = С + Si/24 + Mn/6 + Cr/5 + Ni/40 + Mo/4 + V/14 + Cu/13 + B/2,
где буквами обозначены соответствующие элементы в %.
Если Сэкв > 0,35%, сварка такого сплава затруднена из-за склонности к образованию трещин. Стали с содержанием углерода до 0,25% свариваются хорошо, без применения дополнительных технологических приемов. Стали с содержанием углерода до 0,3% имеют удовлетворительную свариваемость. Стали с содержанием углерода до 0,45% имеют ограниченную свариваемость, это означает их склонность к образованию трещин. Стали с содержанием углерода свыше 0,45% имеют плохую свариваемость. Низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2,5% и среднелегированные до 10% при положительных внешних температурах свариваются удовлетворительно.
Свариваемость легированных сталей оценивают не только по возможности получения сварного шва с требуемыми физико-механическими свойствами, близкими к свойствам основного металла, но и важностью сохранения специальных свойств – коррозионной стойкости, жаропрочности, способности не образовывать закалочных структур и др.
Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода более 0,3% (стали 45, ЗОХГСА, 40ХНМА и др.) при типовых режимах сварки претерпевают закалку в зоне термического влияния (з. т. в.).
Соответствующие этим режимам скорости охлаждения для указанных сталей достаточно высоки и приводят к образованию мартенситной микроструктуры. Поэтому для сварных соединений этих сталей характерна повышенная твердость и пониженная пластичность в з. т. в.
В жестких сварных узлах, в которых образуются высокие сварочные напряжения, в закаленной з. т. в. возможно образование холодных трещин. Склонность к холодным трещинам повышается при насыщении металла водородом, который снижает пластичность закаленного металла. Источником водорода служит влага в покрытиях электродов, флюсах и защитных газах, которая разлагается в дуге, и атомарный водород насыщает жидкий металл сварочной ванны. В результате диффузии водорода им насыщается также з. т. в.
Для обеспечения хорошей свариваемости при дуговой сварке этих сталей рекомендуют следующие технологические мероприятия: предварительный и последующий подогрев заготовок до температуры 100–300°С в целях замедленного охлаждения и исключения закалки з. т. в.; прокалка электродов, флюсов при температуре 400–450°С в течение 3 ч и осушение защитных газов для предупреждения попадания водорода в металл сварного соединения; низкий (300–400°С) или высокий (600–700°С) отпуск сварных соединений сразу после окончания сварки в целях повышения пластичности закалочных структур и удаления водорода.
Контактную точечную сварку углеродистых и легированных сталей выполняют на мягких режимах, т. е. длительным нагревом током и быстрым удалением заготовок из машины для избежания отвода теплоты электродами. В результате обеспечивается замедленное охлаждение заготовок. Контактную стыковую сварку этих сталей выполняют с прерывистым оплавлением, при котором обеспечиваются подогрев заготовок перед сваркой и замедленное охлаждение.
Коррозионная стойкость стали обеспечивается содержанием более 12% Сr, а содержание 8% Ni стабилизирует аустенитную структуру и сохраняет ее при нормальных температурах (сталь 10Х18Н9Т и др.). При сварке этих сталей на режимах, обусловливающих продолжительное пребывание металла в области температур 500–800°С, возможна потеря коррозионной стойкости металлом шва и з. т. в. Причиной этого является образование карбидов хрома на границах зерен и обеднение приграничных участков зерен хромом. В результате металл сварного соединения становится склонным к так называемой межкристаллитной коррозии. При дуговой сварке для предупреждения межкристаллитной коррозии сварных соединений рекомендуется сварка на малых погонных энергиях с применением теплоотводящих медных подкладок в целях получения жестких термических циклов и уменьшения времени пребывания металла при высоких температурах; термическая обработка после сварки: нагрев до температуры 1100°С и закалка в воду. При нагреве происходит растворение карбидов, а закалка фиксирует чисто аустенитную структуру.
При дуговой сварке аустенитных сталей возможно образование в сварных швах горячих трещин. Они обусловлены широким интервалом кристаллизации вследствие повышенного содержания легирующих элементов и наличия вредных примесей (S). Образованию трещин способствует также крупнозернистая столбчатая макроструктура шва, при которой его кристаллизация завершается при наличии жидких прослоек большой протяженности.
Для предупреждения возникновения горячих трещин в сварных швах рекомендуется вводить в сварочные материалы (электроды, проволоку) легирующие элементы Si, Аl, Мо, Мn и другие способствующие измельчению зерна, а также снижать содержание вредных примесей.
Аустенитные стали хорошо свариваются контактной сваркой. Сварку ведут на пониженных плотностях тока. Эти стали имеют высокое удельное электросопротивление и низкую теплопроводность, что обусловливает выделение большого количества теплоты при сварке и ограниченный его отвод из зоны сварного соединения. При этом применяют повышенное давление, поскольку аустенитные стали имеют значительную прочность при высоких температурах.
Чугун относится к категории плохо сваривающихся сплавов. Его сваривают при исправлении дефектов в отливках и ремонте деталей. Основные трудности сварки чугуна состоят в способности к отбеливанию зоны шва, выгоранию кремния из расплава, низкой пластичности чугунов. Сварку чугунов производят по специальным технологиям, в зависимости от температуры процесса их подразделяют на сварку без подогрева (холодную), сварку с подогревом зоны шва до 300–400°С и горячую с нагревом до 600–800°С. При сварке, особенно чугунов, большое воздействие на свойства сварного соединения оказывает зона термического влияния.
Зона термического влияния представляет собой участок сварного соединения, прилегающий к шву, в котором под действием нагрева происходят структурные изменения: укрупняется зерно, оплавляются границы зерен, в сплавах с полиморфными превращениями возможно образование микроструктуры закалочного типа. В результате этих изменений возможно резкое повышение твердости зона 3 и снижение пластичности основного металла 1 в зонах 2 и 3 (рис. 5.1).
Для металлов с пониженной свариваемостью характерно образование горячих или холодных трещин 3 в шве и з. т. в. (рис. 5.2). Причины возникновения трещин: снижение прочности и пластичности как в процессе формирования сварного соединения, так и в послесварочный период вследствие особенностей агрегатного состояния, полиморфных превращений и насыщения газами; развитие сварочных деформаций и напряжений, вызывающих разрушение металла, если они превышают его пластичность и прочность.
Возникновение собственных сварочных напряжений (т. е. без приложения внешних сил) происходит следующим образом. Вследствие неравномерного разогрева изделия при сварке температурные деформации шва и з. т. в. ограничиваются реакцией менее нагретых зон основного металла.
Вместо удлинения отдельных слоев свариваемого металла в соответствии с зависимостью +αтТ (αт – температурный коэффициент металла; Т – максимальная температура нагрева слоя) происходит равномерное удлинение всей свариваемой пластины, в результате чего грань пластины в момент максимального разогрева занимает другое положение. Поэтому шов и прилегающая к нему зона металла при нагреве претерпевают местную пластическую деформацию сжатия. Таким образом, к началу охлаждения эти зоны кажутся укороченными. После охлаждения и обратной температурной деформации они должны были бы занять положение в соответствии с зависимостью –αтТ. Однако их температурная деформация снова ограничивается реакцией основного металла. В результате произойдет равномерное укорочение всей пластины. Поскольку шов и зона термического влияния связаны с основным металлом, то они претерпевают внутреннюю упругопластическую деформацию растяжения. Соответствующие упругой деформации растягивающие напряжения (+) в шве и зоне термического влияния уравновешиваются сжимающими напряжениями (–) в основном металле.
Внешние наблюдаемые деформации сварных заготовок (например, укорочение пластины после сварки, соответствующее смещению ее грани) не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, а их величины противоположны: чем больше внешние деформации, тем меньше внутренние деформации. Величина и знак собственных сварочных напряжений определяются внутренними деформациями.
Снижение внутренних деформаций и напряжений – один из путей предупреждения трещин. Для этого необходимо уменьшить реакцию основного металла на разогреваемые до высоких температур шов и зону термического влияния. Следует уменьшить геометрическую жесткость свариваемых заготовок, исключить их закрепление при сварке, а также применить предварительный подогрев для выравнивания температур по объему заготовки. Сварочные напряжения снимаются также немедленным после сварки высоким отпуском. В то же время методы снижения внутренних деформаций и напряжений (кроме отпуска) приводят к увеличению внешних деформаций сварной заготовки. Для устранения последних, наоборот, необходимо увеличение жесткости заготовок (постановка ребер, мембран или закрепление их при сварке). Выбор условий сварки определяется тем, что в данном случае опасней – трещины или коробление заготовки.
Горячие трещины образуются в период кристаллизации сварного шва, когда металл находится в двухфазном твердожидком состоянии. В этом состоянии металл имеет очень малую прочность и пластичность. В результате развития внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение по незатвердевшим жидким прослойкам между кристаллитами. Как правило, горячие трещины образуются вдоль оси сварных швов в зоне стыка столбчатых кристаллитов, где завершается кристаллизация шва. Склонность к горячим трещинам повышается при наличии в металле шва вредных примесей, которые обладают повышенной способностью к ликвации и образованию легкоплавких соединений. Последнее равносильно увеличению интервала кристаллизации, т. е. времени пребывания металла в двухфазном состоянии.
Холодные трещины чаще всего возникают в з. т. в. после полного затвердевания сварного шва в период окончания охлаждения или последующего вылеживания сварной конструкции в течение нескольких суток. Холодные трещины характерны для сплавов, претерпевающих при сварке закалку, усиленный рост зерна, повышенное насыщение газами, особенно водородом. Эти процессы приводят к понижению прочности и пластичности металла, т. е. к его охрупчиванию. Если сварочные напряжения превышают прочность металла в указанном состоянии, то образуются холодные трещины.
Поры в сварных швах образуются в процессе кристаллизации сварного шва в результате выделения газов из пересыщенного газами затвердевающего металла. Причины появления пор: насыщение жидкого металла сварочной ванны газами вследствие повышенной влажности электродных покрытий, флюсов, защитных газов (водородом), нарушения защиты (азотом) и интенсивных окислительных процессов в шве (оксидом углерода); охлаждение сварных швов при кристаллизации с большой скоростью, вследствие чего затрудняется выход пузырьков газа из кристаллизующегося шва в атмосферу. Дуговая сварка чугуна чугунными электродами и с покрытиями не обеспечивает хорошего качества сварных соединений. Металл шва получает структуру белого чугуна, а зона термического влияния закаливается.
Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным подогревом свариваемых деталей до температуры 400–700°С. Детали подогревают в печах. Перед сваркой в деталях вырубают дефектные места и разделывают кромки, которые затем заформовывают с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на жидком стекле. Сваривают чугунными электродами (диаметром 8–25 мм) со стабилизирующей или специальной обмазкой. Сваренные детали охлаждают вместе с печью. При горячей сварке чугуна получают сварное соединение без твердых отбеленных и закаленных участков. Однако горячая сварка – дорогой и трудоемкий процесс; ее применяют для ремонта уникальных деталей. Горячую сварку также выполняют науглероживающим газовым пламенем с флюсом на основе буры (Na2B4О7).
При холодной сварке чугун сваривают без подогревания, медно-железными, медно-никелевыми электродами и электродами из аустенитного чугуна. В случае применения стальных электродов валики наплавляют низкоуглеродистыми электродами небольшого диаметра со стабилизирующей или качественной обмазкой. Применяют также стальные электроды со специальным покрытием, содержащим большое количество карбидообразующих элементов, дающим наплавленный металл с мягкой основой и вкраплениями карбидов. Эти способы не исключают образования отбеленных и закалочных структур в з. т. в., но они просты и обеспечивают мягкий хорошо обрабатываемый шов. Медно-железные электроды состоят из медного прутка с оплеткой из жести или пучка из медных и стальных стержней. Электроды имеют специальное или стабилизирующее покрытие. Медно-никелевые электроды состоят из стержней монель-металла (70% Ni, 28% Сu, 2% Fe) или мельхиора (80% Сu, 20% Ni) со стабилизирующей обмазкой. Применение медно-железных и медно-никелевых электродов позволяет получить сварное соединение, у которого отбеливание в з. т. в. наблюдается только на отдельных участках. Наибольшее применение имеют медно-железные электроды, как более дешевые и обеспечивающие достаточную прочность металла шва.