Группа 3-17 «Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)»
ПМ.05. Газовая сварка (наплавка)
Тема урока № 19: Особенности газовой сварки конструкционных углеродистых и легированных сталей
Сварка углеродистых сталей
К низкоуглеродистым сталям относятся стали, содержание углерода в которых столь невелико, что оно не производит заметного изменения свойств железа. Так, например, к этой группе по металлургическим основаниям можно отнести стали с содержанием углерода до 0,18% (практически до ~0,25%).
Железо при высоких температурах достаточно легко окисляется, причем образующаяся закись железа FeO имеет температуру плавления 1370° С, растворяется в расплавленном железе в количестве около 0,9% и выпадает из раствора при затвердевании.
Присутствие закиси железа в твердой стали сопровождается явлением красноломкости (которая также усиливается серой), некоторым снижением прочностных свойств и при расположении слоями (как при кристаллизации сварочной ванны) - снижением пластических свойств и ударной вязкости. Наличие FeO в сварочной ванне при сварке низкоуглеродистых сталей не вызывает значительных затруднений, однако при значительном количестве закиси железа рекомендуется ее флюсование.
Расплавленное железо растворяет различные газы, но в условиях газовой сварки металл шва после охлаждения содержит относительно малые количества и азота, и водорода. Это определяется тем, что в пламени концентрация азота и водорода невелика и растворившиеся в металле количества этих газов успевают удалиться при кристаллизации.
Так как расплавленное железо является достаточно вязкой жидкостью и хорошо смачивает твердые нагретые кромки, сварку его можно осуществлять при любом положении шва в пространстве.
Повышение содержания углерода ухудшает сварочные свойства сталей, приводит к порокам в шве, способствует образованию крупнозернистой структуры металла, особенно вблизи границы сплавления, и хрупких прослоек в околошовной зоне, а иногда и в самом шве. Все это затрудняет получение сварных соединений, равнопрочных с основным металлом.
Вследствие повышенного содержания углерода в ванне при наличии FeO образуется значительное количество окиси углерода:
FeO + С = Fe + СО
Наличие СО в ванне может привести к пористости шва, в связи с чем рекомендуется уменьшать исходное содержание углерода в ванне, применяя присадку с меньшим его содержанием, чем в основном металле.
Укрупнение структуры при кристаллизации углеродистой стали с повышенным содержанием углерода вызывается увеличением интервала ее затвердевания, в течение которого наиболее интенсивно растет зерно. Снижение критической скорости закалки у сталей с повышенным содержанием углерода (при отсутствии уменьшения скорости охлаждения после сварки) приводит к образованию в околошовной зоне неравновесных хрупких структур и увеличивает возможность образования трещин.
Ухудшающее действие углерода сказывается постепенно по мере увеличения его концентрации в стали. При газовой сварке стали, содержащей 0,25-0,35% С, затруднения в получении хорошего качества появляются только для особо жестких соединений. Поэтому при сварке углеродистых сталей с таким содержанием углерода применяется, как правило, обычная технология, используемая для сварки низкоуглеродистых сталей. При большем содержании углерода применяется более сложная технология сварки.
При сварке низкоуглеродистых сталей применяется ацетилено-кислородное пламя с В = Vк/Va= 1-1,2. Состав пламени приводит к значительному изменению химического состава и механических свойств металла шва.
Для низкоуглеродистых сталей используется присадочный металл марок Св-08, Св-08А, Св-10ГА и Св-08ГС по ГОСТ 2246-60, причем легированные проволоки (Св-10ГА, Св-08ГС) дают лучшие результаты. Диаметр присадки берется в зависимости от способа сварки:
для левой сварки
Правую сварку целесообразно применять при δ > 5 мм, причем угол раскрытия может быть несколько уменьшен (до 70°).
Механические свойства металла шва могут быть в некоторой степени улучшены горячей проковкой, местной нормализацией или проковкой с последующей нормализацией.
При сварке тонких штампованных деталей для уменьшения участка рекристаллизации следует ускорять процесс охлаждения, накладывая параллельно шву компресс из мокрого асбеста.
Основные технологические указания по газовой сварке среднеуглеродистых сталей сводятся к следующему.
1. В целях уменьшения окислительных реакций в сварочной ванне пламя следует регулировать с небольшим избытком ацетилена. Полезным также является применение флюсов, например:
а) 50% углекислого натрия и 50% двууглекислого натрия;
б) 70% борной кислоты и 30% углекислого натрия; в) 34% буры, 6,5% хлористого натрия, 58% углекислой соды и 1,5% окиси железа.
2. Чтобы получить более пластичный металл шва при достаточной его прочности, в качестве присадочного металла используется проволока марок Св-08Г, Св-10ГА, Св-10ГС и СВ-10ГСМ по ГОСТу 2246-60.
3. В целях уменьшения перегрева и времени пребывания ванны в расплавленном состоянии сварку следует производить максимально быстро. Увеличение скорости сварки возможно либо при общем предварительном нагреве свариваемого изделия до 300-400° С, либо при местном нагреве в районе сварки до 650-700° С. Мощность пламени при этом берется 75-90 л/ч на 1 мм толщины свариваемой стали.
4. Во избежание получения хрупких структур в околошовной зоне, производят замедление охлаждения (достаточен предварительный подогрев до 200-250° С) или последующий отпуск при 600-650° С.
Все эти мероприятия позволяют получать доброкачественные сварные соединения при содержании углерода в стали до 0,5-0,6%. При большем содержании углерода сварка может быть успешной только при малых сечениях свариваемых деталей.
В ряде случаев вместо сварки можно рекомендовать применение пайки твердыми припоями.
Сварка легированных сталей
Сварочные свойства легированных сталей зависят от их состава, причем различные легирующие добавки влияют в этом отношении различно. Однако в ряде случаев повышение содержания углерода может сказываться сильнее, чем влияние легирующих элементов.
Ниже приводятся основные сведения о легирующих элементах и их влиянии на структуру и свойства сталей, а также общие рекомендации по газовой сварке сталей, легированных одним элементом.
Марганец (Мn) образует с железом растворы, увеличивает область Fev, является карбидообразователем. В низколегированных сталях повышает прочностные характеристики при незначительном снижении пластичности; сообщает стали чувствительность к перегреву, склонность к образованию холодных трещин; при сварке испаряется и в некоторой степени окисляется.
При сварке сталей с содержанием Мn 1,2-2% и С около 0,3% основные затруднения появляются в связи с закалкой околошовных зон.
При содержании Мn 10-14% и С 1-1,4% сталь имеет аустенитную и аустенитно-карбидную структуру. Сварку такой стали следует производить после предварительной термической обработки (закалки в воду с температуры 1100° С) пламенем с небольшим избытком ацетилена, используя присадочный металл с меньшим содержанием углерода (около 0,8%) и высоким содержанием Мn (около 14%) и применяя флюсы. При сварке рекомендуется держать сварочную ванну небольших размеров и обеспечивать ускоренное охлаждение (вплоть до помещения свариваемой детали в воду).
Кремний (Si) в растворенном в железе состоянии повышает упругие и прочностные свойства при некотором снижении пластичности; сужает область Fey. В условиях сварки легко окисляется; при содержании в стали 1 % и более дает тугоплавкий и вязкий шлак; увеличивает усадку стали и тем самым способствует образованию трещин в швах.
Никель (Ni) при незначительном увеличении прочностных свойств сохраняет пластичность сталей; увеличивает закаливаемость и прокаливаемость; расширяет область Fey. При небольшом содержании в стали никель особого ухудшения сварочных свойств не вызывает; при сварке низколегированных сталей приводит к подкалке околошовных зон.
При сварке аустенитных сталей (25% Ni и 0,5% С) следует учитывать повышенную растворимость газов (особенно водорода), в связи с чем нельзя применять пламя с избытком ацетилена.
Хром (Сг) значительно повышает прочностные характеристики, коррозионную стойкость, жаростойкость и жаропрочность сталей; сужает область Fev; при большом количестве дает однофазные ферритные стали. Хром понижает теплопроводность сталей, повышает их закаливаемость. Окислы хрома тугоплавки. При сварке сталей с высоким содержанием хрома (6-30%) дополнительно приходится учитывать значительное окисление хрома и применять повышенное содержание ацетилена в пламени (если это допустимо по свойствам сварного шва) или флюсы. При сварке деталей из полумартенситных хромистых сталей (1X13; 2X13) необходимо применять предварительный подогрев до 300-400° С и сразу после сварки до охлаждения деталей термическую обработку в печах при 650-700° С. При сварке ферритных сталей в шве и околошовной зоне получается очень крупнозернистая структура с низкой пластичностью. При этом применяется присадочный металл, аналогичный основному.
Молибден (Мо) измельчает зерно, увеличивает прочностные характеристики, особенно при повышенных температурах, образует стойкие карбиды, уменьшает теплопроводность сталей. Применяется в основном в виде малых добавок (до 0,5-0,6%). В условиях сварки малоактивен. При сварке легированных сталей следует учитывать повышенную закаливаемость околошовных зон.
Ванадий (V) измельчает зерно в сталях, дает устойчивые карбиды, в условиях сварки частично окисляется. При количествах до 0,5-0,8% его влияние на сварочной ванне не сказывается; при содержании >2% (инструментальные стали) окислы ванадия делают шлак густым.
Вольфрам (W) образует прочные карбиды, повышает режущую способность сталей. В связи с летучестью окислов при больших размерах ванны дает пористую наплавку.
Алюминий (А1) легко окисляется и дает тугоплавкие окислы. При сварке сталей со значительным количеством алюминия необходимо применять флюсы на базе фтористых и хлористых солей.
Титан (Ti) при сварке выгорает. При содержании в стали до 1 % ухудшающего влияния не оказывает.
Медь (Си) при содержании более 0,6-0,8% (обычно при отсутствии Ni) способствует образованию межкристаллитных трещин.
В промышленности широко применяются стали, легированные одновременно несколькими элементами. В этих случаях технологию сварки приходится выбирать с учетом влияния каждого элемента в отдельности и их суммарного действия в целом. В качестве примеров рассмотрим технологию сварки двух типовых сложно-легированных сталей.
Сварка хромомолибденовой стали применяется при изготовлении трубопроводов котельных установок высокого давления. Стали марок 20ХМ и 30ХМ содержат 0,15-0,25% Мо и 0,8- 1,1% Сr. Сталь 12ХМ при том же содержании Сr имеет 0,4- 0,55% Мо.
Газовая сварка применяется для стыкования труб при их монтаже. Регулировка пламени должна быть строго нормальной (B = 1 + 1,1) при мощности Va = 100б л/ч. В качестве присадочного металла применяется проволока марок Св-18ХМА, Св-12ХМ, Св-12МХ по ГОСТу 2246-60. Диаметр проволоки подбирается по формулам (51) и (52).
Для обеспечения полного провара стыка при толщинах более 3 мм применяется разделка кромок снятием фасок под углом 45°. Первый слой (корень шва) проваривается расплавлением кромок основного металла без присадки или с очень небольшой добавкой присадки (обычно называется «облуживание»). Следующие слои выполняются с присадкой. Сварку выполняют как левым, так и правым способом.
Ванна при сварке должна быть небольших размеров, причем следует избегать перегрева жидкого металла. Поэтому сварку нужно выполнять тонкими слоями (при толщине металла в 6 мм заполнение производится в два слоя, при толщине 12 мм - в пять слоев).
Аналогичная технология сварки применяется и для сварки стыков труб из молибденовых сталей 15М и 20М, содержащих 0,4-0,55% Мо и около 0,3% Cr.
Сварка аустенитных хромоникелевых сталей широко используется при изготовлении изделий химической промышленности и др. Высоколегированные хромоникелевые стали аустенитного класса, например Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т, обладают высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, жароупорностью и жаропрочностью.
Однако при нагреве нестабилизированных сталей этого типа (т. е. не имеющих в своем составе достаточного количества титана или ниобия) до температуры 500-850° С по границам зерен выпадают карбиды хрома. Такой металл получает склонность к межкристаллитной коррозии. Это свойство усиливается при увеличении в составе стали углерода, хотя даже при содержании углерода 0,024% полностью исключить межкристаллитную коррозию не удается. С этой целью в состав сталей вводят титан (примерно в шесть раз больше, чем углерода) или ниобий (несколько больше, чем титана). Однако титан при газовой сварке почти полностью выгорает, а ниобий увеличивает склонность швов к образованию горячих трещин.
Так как газовая сварка сопровождается более длительным пребыванием металла в области опасных температур, коррозионная стойкость сварных соединений является более низкой по сравнению с выполненными дуговой (особенно аргоно-дуговой) сваркой. Поэтому газовая сварка для хромоникелевых аустенитных сталей имеет ограниченное применение (главным образом для сложных сварных узлов из тонкого листового, штампованного металла и из труб).
Газовая сварка пламенем нормальной регулировки без применения флюсов в связи с большим содержанием хрома в этих сталях приводит к образованию тугоплавких окислов хрома (Сr2O3), мешающих процессу сварки. Применение пламени с избытком ацетилена в большинстве случаев недопустимо из-за резкого снижения стойкости швов против межкристаллитной коррозии. Поэтому применяются флюсы, которые наносятся при сварке тонкого металла обычно с обратной стороны шва.
Широкое применение получили флюсы следующего состава:
1) 30% фарфора, 28% мрамора, 20% двуокиси титана, 6% ферросилиция, 10% ферромарганца, 6% ферротитана (флюс наносится в виде пасты, приготовленной на жидком стекле с у = 1,32 г/см3);
2) 80% плавикового шпата, 20% ферротитана.
При сварке с флюсами применяется пламя нормальной регулировки. В связи с малой теплопроводностью этих сталей мощность горелки (в л/ч) определяется по формуле (48)
Va = (70-80)δ
В качестве присадочного металла следует применять проволоку с минимальным содержанием углерода (Св-02Х19Н9 по ГОСТу 2246-70). Проволока при сварке малых толщин берется диаметром примерно равным толщине основного металла.
В связи с большими короблениями при сварке (коэффициент теплового расширения этих сталей в 1,5 раза больше, чем у обычных сталей) при длинных швах рекомендуется применять закрепления и производить сварку обратноступенчатым швом. Сложные узлы следует варить в жестких кондукторах.
С целью улучшения механических свойств и стойкости против межкристаллитной коррозии сварных швов после сварки рекомендуется термообработка (нагрев до 1050-1100° С и быстрое охлаждение при δ = 1-2 мм - на воздухе, при δ > 2 мм - в воде).