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 обеспечивает необходимую точность сборки и отсутствие изменения структуры металла в месте реза. Газовую резку при подготовке кромок можно применять как исключение в условиях монтажа крупногабаритных сооружений для сталей с прочностью до 1000МПа.
3. Поверхность металла в зоне сварки очищать от окалины, ржавчины и других загрязнений, а также от влаги. Перечисленные загрязнения создают условия для образования пористости, окисных включений, а в некоторых случаях и трещин 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 щетками, или на пескоструйных и дробеструйных аппаратах.
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 параметров шероховатости поверхности.
5. При сборке деталей под сварку обеспечивать надежное закрепление деталей относительно друг друга. При этом смещение кромок должно быть минимальным и не превышать 10—15% толщины свариваемых кромок. Зазоры между кромками 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 и смещение кромок в процессе сварки.
6. При необходимости прихваток для фиксирования деталей в месте сварки их размеры и расположение должны обеспечивать необходимую прочность и возможность полной переварки при укладке основных швов. Прихватки выполняют с особой тщательностью, их металл не должен иметь пор и трещин. Кратеры прихваток должны быть заварены. Перед наложением основного шва прихватки необходимо 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 большим коэффициентом формы, выбрать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влияния, предупреждения опасного роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия хрупких закалочных структур. Последнее часто может быть обеспечено применением предварительного подогрева до 250—300 °С. Многослойная сварка одной или двумя раздвинутыми дугами электродами малого диаметра, применение низкоуглеродистых или низколегированных проволок (СвО8А, 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 работоспособных сварных швов. Наиболее часто применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами и автоматическую сварку под флюсом. При изготовлении крупногабаритных 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 в околошовной зоне, и для получения высоких пластичных и вязких свойств сварного соединения необходимо применять последующую термическую обработку—отпуск 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 10Г2А и 12Г2А используют в конструкциях при толщине листов до 4 мм. Стали сваривают всеми видами сварки, в том числе и газовой. Конструкции можно изготовлять из нормализованных элементов без термической обработки после сварки. При сварке легированных конструкционных сталей режимы сварки, технику сварки и сварочные материалы выбирают 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 рассмотрении средств борьбы с холодными трещинами. Сварку производят по возможности без перерывов. Ветер и сквозняк, а также низкая температура при сварке не допускаются. При возрастании тока увеличивается нагрев стали в зоне шва и замедляется, 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 последующих валиков частично проходит по зоне закалки предыдущих валиков и отпускает ее, что приводит к равномерному отпуску всей зоны термического влияния. 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 переходила на основной металл. Правильная форма шва имеет особое значение при сварке закаливающихся легированных сталей. Недопустимы подрезы и непровары в сварных швах. Неровности шва, резкие переходы от шва к основному металлу, грубые проплавы и т. п. могут служить очагами появления трещин или приводить к хрупким разрушениям при нагружении изделия. Для улучшения формы перехода от шва к основному металлу, например, при сварке трубчатых конструкций 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 1000МПа 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 соответствующих механических свойств с помощью закалки и отпуска;
б) промежуточную для устранения повышенной твердости шва и зоны закалки (с целью выполнения последующей правки) путем отпуска при 650—680 °С и для предупреждения образования холодных трещин путем местного или общего отпуска при 200—600 °С;
в) окончательную для придания сварному изделию требуемых высоких механических свойств и улучшения структуры сварного соединения.
10. Сталь 12Х2НВФА хорошо сваривается дуговой и контактной сваркой всех видов, удовлетворительно-газовой и атомно-водородной сваркой. Отпуск после сварки для снятия остаточных напряжений применяют только в сварных изделиях со значительной толщиной свариваемых кромок (более 15 мм) при наличии скопления швов, швов сложной конфигурации и прочих условий, способствующих формированию сложнонапряженного состояния с высоким уровнем максимальных растягивающих напряжений. Стали 25ХГСА и 30ХГСА сваривают сваркой всех видов. Сталь 30ХГСА обладает повышенной склонностью к трещинообразованию при сварке. Для снятия внутренних напряжений после сварки необходимо применять отпуск. Конструкции, термически обрабатываемые после сварки на заданную прочность, в случае длительного разрыва между сваркой и термической обработкой также подвергают отпуску при 650 °С. При большом числе швов на узлах из указанных сталей, создающих жесткую систему (большое число ребер жесткости и др.), рекомендуется производить промежуточный высокий отпуск после сварки определенного числа швов. Конструкции, изготовляемые из термически обработанных элементов, подвергают отпуску при температуре на 50 °С ниже температуры отпуска после закалки. Допускается отпуск при 250 °С с выдержкой не менее 2 ч. Детали из стали 30ХГСА толщиной более 3 мм (сварка в отожженном состоянии), имеющие швы с особо жесткими контурами, во избежание образования трещин рекомендуется сваривать с подогревом до температуры 250—350 °С, которую нужно поддерживать в течение процесса сварки. Подогрев может быть как местным, так и общим, но обязательно равномерным по всему периметру сварного шва и близлежащих зон на ширине не менее 100 мм по обе стороны от шва. В особо сложных сварных узлах не исключено применение подогрева и для сталей 25ХГСА и 23Х2НВФА. Сталь 23Х2НВФА сваривают контактной сваркой; удовлетворительно — дуговой сваркой всех видов. После сварки деталь необходимо подвергать отпуску при 500 °С. Отпуск деталей сложной конфигурации нужно производить немедленно после сварки.
11. Сталь 30ХГСНА сваривают ручной дуговой, автоматической под флюсом, аргонодуговой и атомно-водородной сваркой. Газовую и контактную сварку не применяют. Атомно-водородную сварку применяют только для отожженных деталей и используют только при условии полной термической обработки узла после сварки и толщине свариваемых элементов до 6 мм, а также для выполнения первого слоя при многослойной сварке деталей большой толщины. Сталь 30ХГСНА склонна к образованию холодных трещин в сварных соединениях. Детали после сварки необходимо подвергать отпуску при 650 °С. Время, затрачиваемое на перенос деталей в печь, должно быть минимальным, чтобы металл в месте сварки не остыл до температуры ниже 250 °С. При значительной протяженности сварных швов сварку надо производить в несколько приемов с промежуточными отпусками. Сложные конструкции с замкнутыми швами сваривают в подогретом состоянии при 200—300 °С. Детали простой формы можно сваривать без подогрева. Сварку конструкций, изготовленных из закаленных элементов, производят с подогревом до 200—250 °С. После сварки эти конструкции подвергают отпуску при 200—250 °С с выдержкой в течение 3 ч. Отпуск при этом нужно производить не позднее, чем через 1 ч после сварки.
12. Высокопрочные стали 30Х2ГСНВМ и 42Х2ГСНМ сваривают в среде нейтральных защитных газов (аргона или гелия). Для обеспечения заданных свойств сварных соединений конструкции подвергают термической обработке (закалке с отпуском). Предварительно, после сварки должен быть произведен местный отпуск с помощью ТВЧ или общий отпуск в печи с промежуточным временем от момента окончания сварки до проведения отпуска не более 30 мин.
В случае повышенной склонности к образованию холодных трещин металла отдельных партий рекомендуется подогрев деталей (или кромок) перед сваркой до 200 - 250 °С. Листовые конструкции с толщиной листов 3—4 мм и менее сваривают без подогрева. При невозможности термической обработки всей конструкции из стали 42Х2ГСНМ после сварки из-за больших размеров или для сохранения геометрических параметров рекомендуется применять переходники с большей толщиной стенки из стали 30Х2ГСНВМ, приварку которых к узлам и деталям из стали 42Х2ГСНМ производят с последующей термической обработкой, а сварку их между собой осуществляют в термически обработанном состоянии. В этом случае допустима только сварка кольцевых швов при утолщенных кромках в местах сварки. Сварные швы на утолщенных кромках подвергают местному отпуску индукционным нагревом с получением предела прочности 100 - 130МПа. Ширина зоны нагрева для получения температуры отпуска не должна выходить за пределы утолщения кромок.
Отпуск с помощью ТВЧ должен производиться не позднее чем через 15 мин после окончания сварки.
Узлы из высокопрочных сталей 28Х3СНМВФА, 33Х3СНМВФА, 43Х3СНМВФА сваривают аргонодуговым методом предпочтительно в отожженном состоянии. Для предупреждения образования холодных трещин не позднее чем через 15 мин после сварки следует произвести высокотемпературный (650 °С) или низкотемпературный (250—300 °С) стабилизирующий отпуск. Для получения требуемых механических свойств, сварную конструкцию подвергают соответствующей термической обработке.
Для изготовления различных изделий в машиностроении используют углеродистые и низколегированные стали, содержание углерода в которых увеличено по сравнению с содержанием углерода в низкоуглеродистых конструкционных сталях общего назначения, что при соответствующей термообработке позволяет существенно повысить их прочность. В зависимости от режима термообработки временное сопротивлевние этих сталей составляет 600... 1500 МПа. Содержание углерода в них доходит до 0,5 % при суммарном легировании другими элементами до 3... 4 %. Примерами марок сталей этой группы могут служить 35Х, 40Г, 13ХГМРБ, 14Х2ГМ, 30ХГТ, ЗОХГНА, ЗОХГСА, 42Х2ГСНМА и др. По чувствительности к термодеформационному циклу сварки к этой же группе можно отнести углеродистые стали, например марок 30, 35, 40, 45, 50 и др., а также теплоустойчивые молибденовые, хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые стали, например, марок 20ХМ, 30ХМА,25Х1М1Фидр.
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.
Закаливаемость стали можно оценить, изучая кинетику распада аустенита. На рис. 7.1 представлена диаграмма изотермического распада аустенита и нанесены кривые, соответствующие различным скоростям охлаждения металла. Скорость охлаждения (кривая 2) является максимальной скоростью охлаждения, превышение которой приведет к частичной закалке стали. Ее называют первой критической скоростью охлаждения. При скорости охлаждения по кривой 3 наступает полная закалка (100% мартенсита). Ее
называют второй критической скоростью охлаждения. Кривая У характеризует скорость охлаждения, при которой отсутствует закалка.
Характер кривых изотермического распада аустенита и их расположение на диаграмме зависят от химического состава стали, однородности аустенита и размера его зерна. Почти все легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита, т.е. сдвигают кривые изотермического распада вправо.
При переохлаждении аустенита ниже Aci длительность инкубационного периода будет зависеть от температуры переохлаждения. При некоторой температуре Тт наблюдается наименьшая устойчивость аустенита, и через время t^ выдержки при этой температуре полностью заканчиваются все превращения. При всех других температурах переохлаждения время инкубационного периода больше, поэтому температуру Тт называют температурой наименьшей устойчивости аустенита. При использовании кривых изотермического распада аустенита для оценки закаливаемости стали в условиях непрерывного охлаждения при сварке необходимо в эти кривые внести некоторые поправки.
При непрерывном охлаждении температура наименьшей устойчивости аустенита Тт снижается в среднем на 55 °С, а наименьшая длительность распада увеличивается в 1,5 раза по сравнению с тем, что наблюдается при изотермическом распаде (рис. 7.2). При одном и том же химическом составе рост зерна аустенита замедляет его распад. Например, если средняя площадь зерна углеродистой стали с содержанием 0,9 % С