Технологии сварки. Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Обеспечение равнопрочности сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистых  и низколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной  зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида термической обработки стали до сварки. При сварке низкоуглеродистых горячекатаных (в состоянии поставки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспечивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, какие были рассмотрены выше. Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсированных режимах металла повышенной толщины, а также однопроходных угловых швов при отрицательных температурах и т. д. может привести к появлению в металле шва и на участках перегрева полной и неполной рекристаллизации в околошовной зоне закалочных структур. Повышение содержания в стали марганца увеличивает эту вероятность. При этих условиях даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки ВСтЗ не исключена возможность получения в сварном соединении закалочных структур. Если эта сталь перед сваркой прошла термическое упрочнение — закалку, то в зоне термического влияния шва на участках рекристаллизации и синеломкости будет наблюдаться отпуск металла, т. е. снижение его прочностных свойств. Изменение этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.

Изменение свойств металла шва  и околошовной зоны при сварке низколегированных сталей проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перегрева и нормализации. Механические свойства металла изменяются больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термическая обработка низколегированных сталей — чаще всего закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочности при сохранении высокой пластичности, усложняет технологию их сварки. На участках рекристаллизации и синеломкости происходит разупрочнение стали под действием высокого отпуска с образованием структур преимущественно троостита или сорбита отпуска. Это разупрочнение тем больше, чем выше прочность основного металла в результате закалки. В этих процессах решающее значение имеет скорость охлаждения металла шва и в первую очередь погонная энергия при сварке. Повышение погонной энергии сварки сопровождается снижением твердости и расширением разупрочненной зоны. Околошовная зона, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки, служит вероятным местом образования холодных трещин при сварке низколегированных сталей.

Таким образом, получение при сварке низколегированных сталей, особенно термоупрочненных, равнопрочного сварного соединения вызывает некоторые трудности  и поэтому требует применения определенных технологических приемов (сварка короткими участками нетермоупрочненных сталей и длинными участками термоупрочненных и др.). Протяженность участков зоны термического влияния, где произошло изменение свойств основного металла под действием термического цикла сварки (разупрочнение или закалка), зависит от способа и режима сварки, состава и толщины металла, конструкции сварного соединения и др.

В процессе изготовления конструкций  из низкоуглеродистых и низколегированных  сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный нагрев до температур около 300 ⁰С, эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и возможному возникновению холодных трещин, особенно при низких температурах или в местах концентрации напряжений. Высокий отпуск при 600— 650 ⁰С в этих случаях является эффективным средством восстановления свойств металла. Высокий отпуск применяют и для снятия сварочных напряжений. Нормализации подвергают сварные конструкции для улучшения структуры отдельных участков сварного соединения и выравнивания их свойств. Термическая обработка, кроме закалки сварных соединений в тех участках соединения, которые охлаждались с повышенными скоростями, приведшими к образованию в них неравновесных структур закалочного характера (угловые однослойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), снижает прочностные и повышает пластические свойства металла в этих участках. При сварке короткими участками по горячим, предварительно наложенным швам замедленная скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термической обработки в этом случае сказывается незначительно. При электрошлаковой сварке последующая термическая обработка мало изменяет механические свойства металла рассматриваемых зон. Однако нормализация приводит к резкому возрастанию ударной вязкости.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых  сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием  в них углерода. Однако при сварке на низкоуглеродистых сталях, содержащих углерод по верхнему пределу (свыше 0,20%), угловых швов и первого корневого шва в многослойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование в металле шва кристаллизационных трещин, что связано в основном с неблагоприятной формой провара (узкой, глубокой). Легирующие добавки в низколегированных сталях могут повышать вероятность образования кристаллизационных трещин. Все низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Обычно не имеется затруднений, связанных с возможностью образования холодных трещин, вызванных образованием в шве или околошовной зоне закалочных структур. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное содержание марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин в указанных зонах повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждение трещин достигается предварительным подогревом до 120—200 ⁰С. Предварительная и последующая термическая обработка сталей, использующихся в ответственных конструкциях, служит для этой цели, а также позволяет получить необходимые механические свойства сварных соединений (высокую прочность или пластичность, или их необходимое сочетание).

Подготовку кромок и сборку соединения под сварку производят в зависимости  от толщины металла, типа соединения и способа сварки согласно соответствующим  ГОСТам или техническим условиям. Свариваемые детали для фиксации положения кромок относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в универсальных или специальных сборочных приспособлениях или с помощью прихваток. Длина прихватки зависит от толщины металла и изменяется в пределах 20—120 мм при расстоянии между ними 500— 800 мм. Сечение прихваток равно примерно 1/3 сечения шва, но не более 25—30 мм². Прихватки выполняют покрытыми электродами или на полуавтоматах в углекислом газе. При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины из-за высокой скорости теплоотвода. Перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее вырубают или удаляют другим способом. При электрошлаковой сварке детали, как правило, устанавливают с зазором, расширяющимся к концу шва. Фиксацию взаимного положения деталей производят скобами, установленными на расстоянии 500—1000 мм друг от друга, удаляемыми по мере наложения шва. При автоматических способах дуговой и электрошлаковой сварки в начале и конце шва устанавливают заходные и выходные планки.

Сварка стыковых швов вручную или  полуавтоматами в защитных газах  и порошковыми проволоками выполняется  на весу. При автоматической сварке требуются приемы, обеспечивающие предупреждение прожогов и качественный провар корня шва. Это достигается применением остающихся или съемных подкладок, ручной или полуавтоматической в среде защитных газов подварки корня шва, флюсовой подушки и других приемов. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений. Дуговую сварку ответственных конструкций лучше производить с двух сторон. Выбор способа заполнения разделки при многослойной сварке зависит от толщины металла и термической обработки стали перед сваркой. При появлении в швах дефектов (пор, трещин, непроваров, подрезов и т. д.) металл в месте дефекта удаляют механическим путем или воздушно-дуговой или плазменной резкой и после зачистки подваривают. При сварке низколегированных сталей от выбора техники и режима сварки (при изменении формы провара и доли участия основного металла в формировании шва) зависят состав и свойства металла шва.

Ручная дуговая сварка покрытыми  электродами

Электроды выбирают в зависимости  от назначения конструкций и типа стали (таблица 1), а режим сварки — в зависимости от толщины  металла, типа сварного соединения и  пространственного положения сварки.

Таблица 1. Механические свойства металла  шва и сварного соединения при  ручной дуговой сварке углеродистых и низколегированных сталей металлическими покрытыми электродами

Тип электрода по ГОСТ 9467-75: Э42

Таблица 2. Выбор диаметра электрода  при сварке стыковых соединений

Таблица 3. Выбор диаметра электрода  при угловых и тавровых соединений

Силу сварочного тока определяют по формуле:

I_св=πd_э²*j/4

где d_э – диаметр электрода (электродного стержня), мм;  
j – допускаемая плотность тока, А/мм².

Рекомендуемые для электрода данной марки значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспорту электрода (допускается по таблице 4 или расчётным путём), в котором приводят его сварочно-технологические свойства, типичный химический состав шва и механические свойства. При сварке рассматриваемых сталей обеспечиваются высокие механические свойства сварного соединения и поэтому в большинстве случаев не требуются специальные меры, направленные на предотвращение образования в нем закалочных структур.

Таблица 4. Значения допускаемой плотности  тока в электроде

При приближённых подсчётах величина сварочного тока может быть определена по одной из следующих формул:

I_св=k*d_э I_св=k₁*d_э*^1,5  
I_св=d_э*(k₂+α*d_э)  
где d_э – диаметр электрода (электродного стержня), мм;  
k₁, k₂, α – коэффициенты, определённые опытным путём:  
k₁=20…25; k₂=20; α=6.

Техника заполнения швов и определяемый ею термический цикл сварки зависят от предварительной термической обработки стали. Сварка толстого металла каскадом и горкой, замедляя скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны, предупреждает образование в них закалочных структур. Это же достигается при предварительном подогреве до 150—200 ⁰С. Поэтому эти способы дают благоприятные результаты на нетермоупрочненных сталях. При сварке термоупрочненных сталей для уменьшения разупрочнения стали в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Следует выбирать режимы сварки с малой погонной энергией. При этом достигается и уменьшение протяженности зоны разупрочненного металла в околошовной зоне. При исправлении дефектов в сварных швах на низколегированных и низкоуглеродистых сталях повышенной толщины швами малого сечения вследствие значительной скорости остывания металл подварочного шва и его околошовная зона обладают пониженными пластическими свойствами. Поэтому подварку дефектных участков следует производить швами нормального сечения длиной не менее 100 мм или предварительно подогревать их до 150—200 ⁰С.