Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом

Раздел ГРНТИ: Сварка
Кононенко В.Я.
Киев, 2007 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

 

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 включения графита 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 реакций восстановления 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 %.