Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом
Кононенко В.Я.
Киев, 2007 г.
1.1. Свариваемость и технологические факторы, влияющие на нее
Процесс сварки представляет собой комплекс нескольких одновременно протекающих процессов, основными из которых являются: тепловое воздействие на металл в околошовной зоне, плавление, металлургические процессы, кристаллизация металла шва и взаимная кристаллизация металлов в зоне сплавления. Под свариваемостью понимают отношение металлов к этим основным процессам и ее рассматривают с технологической и физической точек зрения.
По определению ГОСТ 29273-92 (ИСО 4063-90), свариваемость — это свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Свариваемость является важной характеристикой сталей и других металлов и прежде всего зависит от свойств свариваемого металла.
Отношение металла к конкретному способу сварки и режиму принято считать технологической свариваемостью. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение. Сближение частиц и создание условий для их взаимодействия осуществляются выбранным способом сварки, а протекание соответствующих физико-химических процессов определяется свойствами соединяемых металлов. Эти свойства характеризуют физическую свариваемость.
Свариваемые металлы могут иметь одинаковые и различные химический состав и свойства. В первом случае — это однородные по химическому составу и свойствам металлы, во втором — разнородные. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов иногда не обеспечивают протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают физической свариваемостью.
К технологическим факторам, влияющим на свариваемость, можно отнести такие особенности сварки, как:
•резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;
•высокую температуру нагрева;
•малый объем сварочной ванны;
о специфичность атмосферы над сварочной ванной;
•форму и конструкции свариваемых деталей, обусловливающие нежелательные последствия;
•изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния (ЗТВ);
•возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;
•образование в процессе сварки тугоплавких трудноудаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса и загрязняющих металл шва и понижающих его качество;
•образование пористости и газовых раковин в металле шва, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.
Для определения технологической свариваемости необходимы информация о химическом составе, структуре и механических свойствах металла шва, которые находятся в прямой зависимости от способа сварки, а также оценка структуры и механических свойств околошовной зоны, склонности сталей к образованию трещин.
Существующие способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы. К первой относят прямые способы, когда свариваемость устанавливают при сварке образцов определенной формы. Эти способы позволяют получить прямой ответ на вопрос о предпочтительности того или иного способа сварки и трудностях, возникающих при сварке, рациональном режиме сварки и т.д.
Ко второй группе относят косвенные способы, когда сварочный процесс заменяют другими процессами, взаимодействие которых с металлом имитирует влияние сварочного процесса, например термическая обработка при температурах, близких к температуре сварочного процесса. Эта группа способов не может дать прямого ответа на вопросы, связанные с практическим осуществлением сварки, и они могут рассматриваться только как предварительные лабораторные испытания.
Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150-200 "С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10 мм. После сварки для снятия напряжений рекомендован отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе. К этой группе в первую очередь .можно отнести большую часть хромистых и некоторых хромоникелевых сталей.
Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650-710 °С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050-1100 °С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200-300 °С.
После сварки для снятия напряжений и понижения твердости детали сварного соединения подвергают отпуску при 650-710 °С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050-1100 °С.
Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей.
Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200-300 СС. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки производится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется.
При сварке чугуна низкоуглеродистыми электродными материалами на основе железа наблюдается глубокое проплавление основного металла, который, поступая в металл сварочной ванны, насыщает ее углеродом. При этом в стальных швах формируются метастабильные структуры, выделяется цементит по границам зерен и образуется мартенсит (структура закаленной доэвтек-тоидной стали). При этом повышается твердость, снижается пластичность металла шва, возрастает склонность сварных соединений к образованию трещин. Наиболее четко эта тенденция наблюдается при сварке деталей без подогрева.
Учитывая, что чугун имеет низкую пластичность во всем диапазоне температур термического цикла сварки, он не выдерживает значительных сварочных напряжений в околошовной зоне. Разрушению соединений в процессе сварки способствует также образование неравновесных фаз (цементита, ледебурита и мартенсита) в металле ЗТВ.
Вредные примеси (фосфор и сера) ухудшают свариваемость чугуна. 'Гак, содержание в чугуне более 0,06-0,07 % серы вызывает образование пор в швах и повышение твердости соединения, так как способствует формированию структур с. ледебуритом.
Существенное влияние на свариваемость чугуна оказывает графитная фаза. Если включенияграфита крупные и образуют сетку, то в зоне сплавления возникает большое количество микропустот, которые снижают прочность сварного соединения.
Существенно ухудшается свариваемость деталей из чугуна, которые эксплуатировались в условиях воздействия высоких температур, частых теплосмен и в агрессивных средах. Металлическая матрица таких чугунов сильно окислена и зачастую их сварка практически невозможна.
Пропитка чугуна маслами и продуктами их сгорания также усложняет сварку, особенно в случае требования герметичности шва. Плохо свариваются чугуны, поверхность которых контактировала с продуктами сгорания топлива — выхлопными газами.
Все перечисленные выше случаи требуют дополнительных мер, направленных на подготовку деталей под сварку (удаление «горелого» слоя, выжигание масла со свариваемых поверхностей, кипячение в щелочных ваннах и т. д.).
Существенные трудности возникают при сварке специальных чугунов, прежде всего КЧ и ЧШГ. В этих случаях трудно получить соединения, равнопрочные и идентичные по свойствам основному металлу. Склонность сварных соединений к образованию у ЧШГ трещин в ЗТВ значительно выше, чем у обычных серых чугунов при одинаковом содержании углерода, кремния и марганца. Сварку таких изделий осуществляют только при предварительном высокотемпературном подогреве всей металлоконструкции.
Поскольку у чугунов меньшая усадка, чем у сталей (примерно в 2 раза), это позволяет заваривать крупные дефекты литья без' образования трещин. Для предотвращения образования структур отбела в металле шва и ЗТВ необходим предварительный подогрев до температуры 600-700 СС с последующим охлаждением изделия со скоростью 50-100 °С/ч.
Для сварки чугуна без предварительного подогрева «холодной сварки» используют сварочные материалы на железной основе. Стальной шов легируют сильными карбидобразующими элементами (ванадием, ниобием, титаном), которые связывают углерод в мелкие карбиды, распределяющиеся в низкоуглеродистой металлической матрице. Этот способ реализуется при использовании покрытых электродов марки ДЧ-4, содержащих в своем составе до 10 % ванадия.
Для холодной сварки чугуна применяют также электродные материалы из цветных металлов (меди и никеля) и их сплавов. При этом в металле шва не образуются стойкие карбиды и он остается пластичным после наплавки на чугун.
Железоникелевые сплавы с массовой долей никеля более 30 % являются аустенитными при нормальной температуре. Никелевый аустенит, растворяющий большое количество углерода без образования карбидов, имеет высокую пластичность и низкую твердость. Эти особенности никелевого аустенита обеспечивают высокую стойкость сварных соединений чугунов против образования трещин и их хорошую обрабатываемость.
Медь так же, как и никель, не образует карбидов, но в отличие от него практически не растворяет углерод и железо. Имея высокую пластичность и указанное выше отношение к углероду и железу, медь используют в качестве электродного или присадочного материала при сварке чугуна.
Металл ЗТВ при сварке чугунов имеет разнообразные структуры. Это связано с тем, что температура в ЗТВ под воздействием сварочного цикла колеблется в широком диапазоне, а химические и физические характеристики чугунов характеризуются большой неоднородностью. В процессе нагрева до температуры 1150— 1250 °С чугун в ЗТВ находится в жидкотвердом состоянии. Охлаждение происходит при высоких скоростях 10-20 =С/с и выше, при которых в металле ЗТВ формируются продукты неполного распада аустенита — мартенсит и троостит, а жидкая фаза кристаллизируется с образованием ледебурита. На конечную структуру этого участка состав электродного металла практически не влияет, поэтому при сварке без подогрева в этой зоне наблюдаются повышение прочности и твердости, а также снижение пластичности свариваемого чугуна. Стойкость сварных соединений против образования трещин во многом зависит от размеров ЗТВ — чем она уже, тем меньше вероятность образования трещин.
Свариваемость латуней. Двойные латуни, содержащие примерно до 30 % цинка, имеют однофазную структуру а-твердого раствора, что определяет их высокую пластичность и хорошую свариваемость. При дальнейшем повышении содержания цинка в двойных латунях они приобретают двойную или однофазную ..... р структуру и имеют пониженную пластичность, ограниченную свариваемость и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.
Легирование латуней другими элементами (алюминием, марганцем, кремнием и др.) существенно изменяет их структуру, а также механические и теплофизические свойства. Повышение содержания цинка в латунях снижает их тепло- и электропроводность, что способствует некоторому улучшению их свариваемости за счет более низкой температуры предварительного подогрева. Неведение в латуни кремния также улучшает их свариваемость, поскольку тугоплавкая пленка диоксида кремния (БЮг), образующаяся при его взаимодействии с кислородом воздуха, уменьшает испарение цинка из расплавленного металла. Кремний повышаем также стойкость против коррозионного растрескивания, к которому склонны латуни, содержащие более 20 % цинка при эксплуатации изделий в коррозионных средах в условиях растягивающих напряжений. Для повышения стойкости металлоконструкций из латуней к коррозионному растрескиванию они подвергаются низкотемпературному отжигу при температуре 250-300 =С в течение 1-2 ч. В ряде случаев изделия из латуней после сварки подвергают высокотемпературному отжигу при 400-500 °С в течение 3 ч. Это полностью снимает остаточные сварочные напряжения, исключает деформацию изделий после механической обработки, не снижая при этом механических свойств латунных сварных соединений.
Высокопрочные двухфазные латуни обладают худшей свариваемостью, чем однофазные, так как уменьшение в их структуре пластичной а-фазы снижает стойкость против образования трещин в околошовной зоне.
Малый температурный интервал кристаллизации обусловливает их высокую склонность к образованию пор в металле шва, а высокая жидкотекучесть ограничивает выполнение швов в положениях, отличных от нижнего и наклонного.
Основной проблемой при сварке латуней является испарение цинка, имеющего низкую температуру кипения (907 3С), близкую к температуре плавления латуней (900-1000 °С). При этом он интенсивно окисляется, образуя оксид цинка (ZnO), который создает облако белого цвета, ухудшающее видимость сварочной ванны, что затрудняет сварщику выполнение операций, связанных с формированием шва. Испарение цинка способствует также образованию пор в металле шва. Пары и оксид цинка чрезвычайно токсичны, что требует применения особых мер защиты сварщика от отравления. В первую очередь организации эффективной вентиляции и применение индивидуальных мер защиты органов дыхания сварщика, а также технологических мероприятий, заключающихся в ограничении режимов сварки, выполнении швов короткими валиками с перерывами на охлаждение после наложения каждого валика, использование бронзовых проволок и проволок, содержащих кремний.
Свариваемость безоловянных бронз. Безоловянные бронзы сваривают всеми способами сварки плавлением. При заварке дефектов литья этот способ является основным. Более низкая теплопроводность алюминиевых бронз по сравнению с медью улучшает ее свариваемость и позволяет выполнять сварку без подогрева толстолистовых конструкций (20-25 мм) многослойными швами. Наличие в составе этих бронз алюминия отрицательно влияет на их свариваемость, что вызвано образованием в расплавленном металле оксидов алюминия (AI2O3) с температурой плавления 2050 "С. Из этих оксидов образуется тугоплавкая пленка, препятствующая сплавлению основного и наплавленного металла. Оксиды зачастую не всплывают на поверхность сварочной ванны и остаются как неметаллические включения в металле шва.
При сварке сложнолегированных алюминиевых бронз AI2O3 образуется также в результате проходящих в сварочной ванне реакцийвосстановления алюминием оксидов меди, марганца, железа и других легирующих элементов, так как алюминий обладает более высоким сродством к кислороду по сравнению с этими элементами.
Пленка AI2O3, покрывая сварочную ванну, в ряде случаев препятствует ее нормальной дегазации, что способствует образованию пор в наплавленном металле и в сварных швах. Основной составляющей газов, растворенных в расплавленном металле при сварке алюминиевых бронз, является водород (до 96 %). Включения оксидов алюминия (A.I2O3) служат центрами кристаллизации в расплавленном металле, вокруг которых скапливается водород, образуя поры. Растворимость водорода снижается при увеличении концентрации алюминия, что является дополнительным фактором для увеличения склонности к образованию пористости при сварке и наплавке алюминиевых бронз.
Одним из значимых факторов, ухудшающих свариваемость медных сплавов, является их высокая склонность к образованию трещин. При легировании алюминиевых бронз марганцем, никелем и железом наблюдается увеличение стойкости против образования горячих трещин в сварных швах, имеющих двухфазную структуру. Легирование же однофазных бронз приводит к упрочнению а-твердого раствора, что снижает его стойкость против образования горячих трещин.
Необходимо также учитывать, что все алюминиевые бронзы (кроме марганцево-алюминиевых) имеют провал пластичности в температурном интервале 250-700 °С, что требует при сварке быстрого охлаждения, поэтому ее выполняют короткими валиками с перерывами на охлаждение ниже 200 °С. Трещины в сплавах не возникают, если относительное удлинение сплава в температурном интервале провала пластичности составляет не менее 10 %.