Основные трудности при сварке чугуна. Сварка углеродистых сталей – как правильно выполнить сварочный процесс? Несплавление в корне шва при сваривании алюминия

Титан отличается высокой прочностью (267-337 МПа) при плотности 4,5 г/см 3 и температуре до 450-500°С, высокой устойчивостью к коррозии во многих агрессивных средах. Сплавы титана с примесями легирующих элементов (алюминия, хрома, марганца, ванадия, олова и др.) обладают еще большей прочностью (до 1000-1400 МПа) при достаточной пластичности и широко применяются в качестве конструкционного материала для судо- и машиностроения, авиационной и ракетной техники, приборостроения, химического машиностроения, а также в других отраслях промышленности.

Титан имеет одну из двух основных стабильных фаз (аллотропических модификаций), характеризующихся строением кристаллической решетки:

• α-титан с гексагональной кристаллической решеткой (мелкозернистой структурой) при температуре до 882°С;
• β-титан с объемно центрированной кристаллической решеткой (крупнозернистой структурой) при температуре выше 882°С.

При температуре 882°С у титана изменяется структура кристаллической решетки с одной на другую (происходит полиморфное превращение).

Ряд легирующих элементов и примесей, называемых α-стабилизаторами (алюминий, азот, олово, кислород и др.), увеличивают температуру полиморфного превращения титана и, таким образом, стабилизируют α-фазу и расширяют область α-титана. Легирующие элементы, называемые β-стабилизаторами (хром, молибден, ванадий, марганец), способствуют сохранению β-титана при уменьшении температуры. В зависимости от состава легирующих компонентов сплавы титана условно разделяют на α-сплавы , β-сплавы и α+β-сплавы (см. рисунок ниже).

Рисунок. Зависимость структуры сплава титана от температуры и содержания легирующих элементов

К α-сплавам относятся технический титан ВТ1, а также сплавы ВТ5 и ВТ5-1. Они пластичны, термообработкой не упрочняются и обладают хорошей свариваемостью.

К двухфазным α+β-сплавам относятся сплавы ОТ4, ВТ3, ВТ4, ВТ6, ВТ8, ВТ14. Двухфазные сплавы с малым количеством β-стабилизаторов (например, сплавы ОТ4) термически не упрочняются и хорошо свариваются, а сплавы, где β-структура может сохраняться при охлаждении до комнатной температуры (например, сплавы ВТ6 и ВТ14), термически упрочняются и свариваются хуже. За счет термической обработки (закалки и искусственного старения) их прочность может быть доведена до 1400 МПа при удовлетворительной пластичности.

Сплавы с β-фазой , например, ВТ15, упрочняются термической обработкой и свариваются хуже. Они склонны к росту зерен и возникновению холодных трещин.

Трудности при сварке титана и способы решения

Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.

При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом , стабилизирующим α-фазу, по реакции Ti+O 2 = TiO 2 с образованием поверхностного слоя с большой твердостью - альфинированного слоя, - который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы (от Ti 6 O до TiO 2) с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины. Допустимое содержание азота в титане составляет до 0,05%, кислорода - до 0,15%.

Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200-400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана TiH 2 способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана - возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки. Допустимое содержание водорода в титане составляет до 0,01%.

Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите - желто-голубая окраска, серые налеты.

Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.

Титан обладает низкой теплопроводностью, в связи с чем стыковые швы, получаемые при сварке плавящимся электродом в среде аргона, имеют характерную конусовидную форму с глубоким проплавлением. Поэтому для некоторых конструкций требуется наложение дополнительных швов по краям основного шва (галтельных швов) или сварка в среде гелия для получения более широкого шва.

Рисунок. Сварные швы при сварке титана плавящимся электродом (проволокой) в аргоне и гелии

Основные способы сварки титана и его сплавов:

• дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом;
• дуговая сварка под флюсом;
• электрошлаковая сварка;
• электронно-лучевая сварка;
• контактная сварка.

Дуговая сварка титана в среде инертных газов

Дуговая сварка титана в среде инертных газов может выполняться неплавящимся иттрированным или лантанированным вольфрамовым электродом (ручная или механизированная сварка) и плавящимся электродом (полуавтоматическая или автоматическая сварка). В качестве инертных газов применяют аргон высшего сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.

Защита металла в процессе сварки может осуществляться следующими способами:

• на воздухе с подачей инертного газа из сопел со специальными удлиненными насадками (до 50 см) для увеличения зоны защиты и подачей газа с обратной стороны сварного шва через специальные подкладки;
• на воздухе с помощью местных камер-насадок, защищающих зону сварки и часть свариваемого узла; при этом обратная сторона шва может быть защищена за счет подачи газа через подкладки;
• путем помещения всего свариваемого узла в герметичную камеру с контролируемой атмосферой.

В герметичную камеру с контролируемой атмосферой также помещают сварочную оснастку, горелку и наполняют инертным газом. Она может иметь иллюминаторы или прозрачную оболочку и встроенные рукавицы для сварщика. Для крупных ответственных изделий используют камеры большого размера, оборудованные необходимыми устройствами и предназначенные для работы внутри них сварщиков в скафандрах.

Наибольшей популярностью пользуется сварка титана вольфрамовым электродом на воздухе. Ее выполняют на обычных установках для автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности. На сварочной горелке закрепляется специальная насадка для защиты инертным газом от воздуха участков металла с температурой 250-300°С и выше. Размеры этих участков, как правило, определяются расчетами по формулам распространения тепла в металлах при сварке. Наилучшая защита достигается при помещении в насадку сетчато-пористого материала для обеспечения ламинарного потока инертного газа. Обратную сторону шва защищают с применением специальных насадок и подкладок.

Рисунок. Сварка титана неплавящимся электродом на воздухе (с применением специальных подкладок для подачи инертного газа с обратной стороны шва)

Аргонная сварка вольфрамовым электродом титановых деталей толщиной 0,5-1,5 мм выполняется встык без зазора и без подачи присадочного прутка, а толщиной более 1,5 мм - с подачей присадочного материала. Проволоку предварительно подвергают вакуумному отжигу в течение 4 ч при температуре 900-1000°С. При зачистке поверхностей кромок свариваемых деталей и прилегающего металла, а также проволоки необходимо снять альфированный слой, насыщенный кислородом.

Ручная аргонная сварка вольфрамовым электродом выполняется «углом вперед» на короткой дуге без колебательных движений сварочной горелки. Между электродом и присадочным материалом поддерживается угол в 90°. При обрыве дуги, а также после окончания сварки необходимо подавать аргон до тех пор, пока температура металла не станет ниже 400°С.

При аргонодуговой сварке титана толщиной свыше 4 мм обычно используется V-образная, X-образная или рюмкообразная разделка кромок. Для повышения производительности сварки вольфрамовым электродом применяются следующие способы:

• сварка погруженной дугой;
• сварка сквозным проплавлением;
• импульсно-дуговая сварка;
• сварка по флюсу;
• сварка присадочной порошковой проволокой;
• сварка в щелевую разделку;
• сварка с магнитным перемешиванием сварочной ванны
• и др.

Сварка погруженной дугой (когда конец электрода размещен ниже поверхности свариваемого металла) на больших токах позволяет сваривать за один проход без разделки кромок титан и его сплавы толщиной до 15 мм. При сварке сквозным проплавлением возможно сваривать за один проход титан и его сплавы толщиной 12 мм.

С помощью импульсно-дуговой сварки (когда подача тока в зону дуги осуществляется кратковременными импульсами) можно в более широком диапазоне изменять размеры шва, уменьшать уровень остаточных напряжений, снижать деформации сварных конструкций, уменьшать зону термического влияния, а также уменьшать размеры кристаллитов и пористость в сварном шве.

При сварке по флюсу-пасте типа АН-ТА, наносимому тонким слоем на поверхность кромок свариваемых деталей, на меньших токах можно сваривать без разделки кромок металл толщиной до 12 мм. Данная технология позволяет увеличить глубину проплавления, снизить деформации сварных конструкций, изменять форму провара, уменьшить зону термического влияния, снизить вероятность образования пор и прожогов. Такими же преимуществами обладает и сварка порошковой проволокой с флюсом в качестве наполнителя.

При сварке с магнитным перемешиванием металла сварочной ванны с помощью внешнего магнитного поля уменьшаются химическая неоднородность и пористость металла шва. При сварке в щелевую разделку (по узкому зазору) снижается расход дорогих и дефицитных материалов и увеличивается производительность.

Сварка плавящимся электродом (проволокой) выполнятся при толщине титана и его сплавов свыше 3 мм в нижнем положении на постоянном токе обратной полярности на режимах, которые обеспечивают мелкокапельный перенос электродного металла.

Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) в инертных газах

Для уменьшения пористости и увеличения ширины сварного шва применяют смесь аргона с гелием (обычно 20% аргона и 80% гелия) или чистый гелий.

Для повышения производительности сварки титана и его сплавов плавящимся электродом в среде инертных газов используют предварительный подогрев проволоки проходящим током и импульсно-дуговую сварку (позволяющую, например, в полуавтоматическом режиме при уменьшении погонной энергии сварки в 2-2,5 раза увеличить производительность в 2-3 раза), а также сварку в щелевую разделку (позволяющую сократить расход дорогих материалов).

Дуговая сварка титана под флюсом

Титан и его сплавы можно сваривать под бескислородными флюсами АНТ-1, АНТ-3 при толщине металла 2,5-8 мм и АНТ-7 для металла большей толщины. Перед сваркой флюс прокаливается при температуре 200-400 °С, чтобы содержание влаги в нем не превышало 0,05% по массе. Сварка выполняется на стандартном оборудовании на постоянном токе обратной полярности.

Получаемые сварные соединения не уступают по прочности и пластичности основному металлу и имеют более мелкозернистую структуру, чем при сварке в инертных газах. Данный способ экономически эффективен для металла толщиной более 6-8 мм.

Таблица. Режимы сварки титана и его сплавов плавящимся электродом (проволокой) под флюсом АНТ-1 (скорость сварки составляет 50 м/ч)

Электрошлаковая сварка титана

При электрошлаковой сварке титана и его сплавов применяют пластинчатые электроды того же состава, что и свариваемый металл, толщиной 8-12 мм и шириной, равной толщине свариваемой детали. Используются тугоплавкие флюсы АНТ-2, АНТ-4, АНТ-6, которые необходимо предварительно прокалить при температуре 200-400 °С, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05% по массе. Для защиты остывающего металла и шлаковой ванны от воздуха в зазор между водоохлаждаемыми ползунами и деталью подается аргон из расчета 5-12 л/мин при толщине металла 30-120 мм.

Получаемые сварные соединения по свойствам близки к основному металлу и имеют крупнокристаллическую структуру. Электрошлаковая сварка эффективна для титановых деталей толщиной свыше 40 мм.

Таблица. Режимы электрошлаковой сварки титановых поковок пластинчатым электродом с применением флюса АНТ-2 (напряжение составляет 16-18 В)

Электронно-лучевая сварка титана

Электронно-лучевая сварка титана и его сплавов обеспечивает мелкозернистую структуру сварного шва и надежную защиту металла от газов. Она используется для толщин до 160 мм. В ряде случаев для предотвращения появления пор и несплошностей применяется сварка с горизонтальным размещением луча.

Понятие разнородных сталей довольно однозначно обозначено в специализированной литературе. Таковой считают сталь, которая отличается на атомно-кристаллическом уровне. Она имеет определенную решетку и относится к различным классам по структуре. Это сталь с типовой решеткой, но принадлежащая к отличным группам по виду, степени легирования: высоко- и низколегированные. Высоколегированная сталь состоит из дорогих, зачастую редких элементов. Это вызывает необходимость экономить.

Технология сварки

Одним из центральных решений проблемы экономии высоколегированных материалов является возможность изготовления деталей и механизмов путем комбинирования, то есть сварка разнородных сталей. Это становится возможным благодаря тому, что, как правило, в процессе эксплуатации работает не все изделие, а только отдельные его элементы или части. Большая же часть не подвергается взаимодействию и окружена стандартными условиями. Поэтому она без риска может изготавливаться из средне- и низколегированной стали.

Для создания комбинированных конструкций из разнородных металлов необходимо соединять друг с другом их отдельные составные части. Если изделие будет работать в неблагоприятной среде и/или при высокой температуре, то соединение просто необходимо выполнять с помощью сварки.

В таких случаях приходится варить между собой разнородные стали, которые разительно отличаются по физико-химическим свойствам. Но это различие редко позволяет создать качественное, работающее при особых условиях сварочное соединение. Такой вопрос оказался настолько трудным для поиска решений, что образовал отдельную проблему – сварка разнородных металлов.

Главной проблемой такой сварки является то, что во время получения и эксплуатации сварочного шва в нем зачастую появляются трещинки. Они обнаруживаются, как правило, на грани или посредине сплавления.

Следующей, но немаловажной составляющей, обуславливающей проблемность сварки разнородных металлов, является то, что при сплавлении нередко протекает замена структуры с появлением прослоек. Это существенно усложняет технологию сварки. Ведь с заменой структуры, если она достаточно сильная, снижаются такие характеристики, как долговечность и пластика.

Итоги неутешительны: досрочное, в худших ситуациях экстренно-аварийное разрушение детали/механизма. Видоизменение структуры, когда выполняется сварка самих разнородных сталей, положено называть неоднородностью структуры. Те же соединения, в коих структура составляющих неизменна ниже грани сплавления, получаются довольно технологичными и верно служат в предназначенных для них условиях.

Отличие хороших огнестойких соединений заключается в структурно-однородной зоне сплавления в независимости от того, различны ли соединяемые материалы по структуре.

Проблемы и трудности при сварке

Проблема появления неоднородной структуры присуща не одним соединениям из разнородных сталей. Она существует и в работе с биметаллом, соединениями неаустенитной стали с аустенитными швами, при сплавлении высоколегированной наплавки со средними или низкими по легированию сталями. Поэтому вышеперечисленные варианты также относятся к соединениям из разнородных сталей.

Большое затруднение при таком виде сварки вызвано тем, что в большем количестве случаев металлы оказываются различны по цифре коэффициента линейного расширения. Поэтому соединения такой стали не теряют напряженности даже тогда, когда подвергаются термообработке.

Кроме того, в таких соединениях после обработки или работы при больших температурах, ввиду указанного различия, наблюдается внезапное изменение напряжения, зачастую с изменением знака. Это лишь усугубляет состояние слабого участка, увеличивая напряжение зоны сплавления. В связи с этим сварочные соединения разнородных сталей подвергают термообработке довольно редко.

Указанные проблемы и трудности в большей мере обусловили то, как выполненяется технология сварки неоднородных металлов. А заключается она в предупреждении появления трещин именно в материале швов и полностью исключает замену структурного и химического составляющих металлов в месте сплавления. Это минимизирует появление неоднородности структуры, делает составы с похожими коэффициентами расширения металлов.

Нюансы образования трещин

Трещины при сварных работах возникают с образованием мартенситной структуры.

Дуговая сварка угольным электродом стальной алитированной пластины с алюминиевой: а - схема однопроходной сварки, б - однопроходная сварка при толщине пластин до 6 мм, в - многопроходная сварка при толщине пластин 12 мм, 1 и 11 - первый и второй проходы, III и IV - третий и четвертый проходы (подварка с обратной стороны), I - алитированная поверхность стальной пластины, 2 - формующий брусок, 3 - сварной шов, 4 - присадка, 5 - электрод, 6 - формующая подкладка.

Она значительно снижает пластичность металлов. Швы с этой структурной сеткой бывают при излишнем разведении высоколегированного металла добавлением в него менее легированного. Это случается при значительном проплавлении свариваемого металла.

Швы с непластичной структурной сеткой возникают и при сплавлении металлов, значительно отличных по основным химическим составляющим. В этих случаях часто образование переходных слоев. Если ширина этого слоя увеличивается до установленной цифры, образование трещинок у грани сплава практически неизбежно.

Развитие науки и технологии, опыт, хоть и порой отрицательный, позволили собрать много знаний о порядке образования и природе трещин в металле шва. Поэтому в настоящее время практическое исключение их появлений не вызывает у специалистов больших затруднений.

Намного труднее оказалось решение вопроса с возникновением неоднородной структурной сети в месте сплавления неоднородных сталей. Состав данных структурно-сетевых неоднородностей хорошо изучен. Он состоит из богатой углеродом прослойки со стороны легированной стали и обратной по свойствам, с менее легированной. Образование происходит за счет перемещения углерода.

Неоднородность структуры, ее образование, степень распространения – все это определено условиями, благоприятствующими переходу углерода из менее в более легированный материал. Главными среди перечисленного выделяют:

• подогревание соединения до температур, усиливающих переход углерода;
• химический состав сплавов;
• время содержания соединения при указанных температурах;
• нахождение в сплавах углеродов других элементов.

После сварочных работ с соединением однослойным швом в зоне сплавления не фиксируется распределение углерода, который характеризует неоднородность. В этих образованиях проблема не возникает и тогда, когда используется обыкновенная углеродистая сталь, не содержащая частиц, составляющих углерод в устойчивые карбиды.

Проблема неоднородности структур в месте сплава разнородных сталей появляется при нагревании состава до 350° С. Но это только начальные стадии.

Пик активного распространения замечен при t от 500° С. Наибольшая возможность распространения неоднородности зафиксирована в температурных границах 600-800°. До достижения порога в 350° возникновение неоднородности не происходит даже при сплавлении сбоку менее легированного металла, стандартной низкоуглеродной стали.

Протяженность выдержки увеличивает неоднородность, но не настолько кардинально, как разница температуры, ее повышение. В то же время постепенное увеличение длительности выдержки снижает скорость образования неоднородности. Это ярко выражено в минусовой температуре, менее 600°. Однако нагрев больше 600° ощутимо развивает неоднородность, даже при минутных выдержках.

С учетом сказанного получается, что температурная обработка сварных соединений неоднородных металлов крайне неблагоприятна из-за риска появления в местах сплавления неоднородности структуры. При отсутствии в металлах карбидообразующих составляющих проявление неоднородности не просматривается даже при сплаве со стандартной углеродистой сталью.

При наличии указанных составляющих неоднородность появляется даже тогда, когда меньше легированного металла, железа. Также ее образование замечено там, где высоколегированный материал вмещает углерода более, чем просто легированный. Это значение должно превышаться в 5-10 раз. Объяснение этому таково: важно не суммарное число углерода, а отличие его термодинамической активности определенной численностью частиц в уже твердом растворе.

Воздействие углеродных составляющих на неоднородность структуры в месте сплавления разнородных металлов зависима от типа и содержания составляющих. При этом более определяющим является именно тип, а не численность.

Насыщенность элемента увеличивается при приближении родства с углеродом и присутствует только при выражении насыщенности карбидообразующего элемента в атомных процентах, но не в процентах по массе. Потому в передвижении углерода играет роль не обобщенное число частиц, а их свободное количество. Изменение такого показателя, как число карбидообразующего составляющего, неравномерно отображается на увеличении неоднородности.

Основные группы соединений

Проанализировав сказанное, все сварные соединения (далее СС) неоднородных сталей было принято расформировать на группы:

1. t до 350°. В роли меньше легированной стали – низкоуглеродистая сталь, t использования – до указанной границы.
2. Допустимая t – 350-450°. Фигурируют качественные углеродистые и обычные, низколегированные стали.
3. Допустимая t – 450-550°. Низко- или среднелегированные хромомолибденовые стали.
4. t свыше 550°. Низко- или среднелегированные хромомолибденованадиевые стали.

Сварка материалов одного структурного класса

При пользовании сталями перлитных классов применяются сварочные материалы, рекомендованные для меньше легированной стали. В этих случаях схема сварки и максимальная t нагрева назначаются согласно свойствам наиболее легированной стали.

Когда соединения выполняются между высоко хромистыми, ферритными, ферритно-аустенитными, мартенситными сталями, то чтобы предотвратить появление ломких прослоек и непрочного металла шва, материал для сварки обязан быть из ферритно-аустенитного класса. При таком выполнении формируется шов с наиболее мелкой структурной сеткой, чем если бы использовался ферритный сварочный материал. Применяются подогрев и высокий отпуск, порядка 700-750° С.

При работе с указанными сталями различного легирования выгоднее отдать предпочтение материалам из соотношения Cr/Ni. Если это отношение в сталях более 1, то используются аустенитно-ферритные материалы. Это минимизирует появление горячих трещин в теле шва. Если же отношение Cr/Ni менее 1, то сварочные средства обязаны обеспечивать аустенитную и аустенитно-карбидную структурность шва.

Сварка материалов разных структурных классов

При необходимости объединения перлитной стали с высокохромистой мартенситной, ферритной, аустенитно-ферритной нередко возникновение холодных трещин, а также нежелательных прослоек в месте сплавления.

Такие соединения обычно выполняют с применением перлитных электродов для ручной сварки или проволоки при сварке под флюсом. Это позволяет добиться получения шовного металла с низким присутствием хрома, обеспечив тем самым необходимую долговечность и пластику шва и слоев. назначается аналогичной к высоколегированной стали.

Зачастую на практике сплавы из перлитных, мартенситных, ферритных сталей с аустенитными температурной обработке не подвергаются. Это ведет к понижению эксплуатационных возможностей. Отпуск находит применение в редких случаях, и его температура приближена к минимальной, для избегания появления прослоек.

В заключение следует заметить, что во всех остальных моментах технология сварки разнородных сталей ничем не отличается от сварки других видов металла.

Во многих отраслях нашего многогранного народного хозяйства применяются различные виды чугуна — серый, высокопрочный и ковкий. Используются они в строительных конструкциях, для изготовления ответственных деталей, которые применяются в машино-, авиа-, самолетостроении, железнодорожном транспорте, при изготовлении изделий и деталей сантехники и т.д.

Отличительная особенность этого материала заключается в высоком отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение и его хорошие антифрикционные свойства. Эти качества выделили чугун при изготовлении конструкций и деталей в особую категорию. Как и любые изделия, чугунные, в процессе эксплуатации могут выйти из строя или у них может износиться поверхность. Чаще всего возникает такой дефект, как трещины. И одним из методов восстановления работоспособности изделия являются сварка чугуна и его наплавка. Также с помощью сварки устраняют дефекты при производстве отливок из чугуна.

Чугуном называют сплав, состоящий их железа, углерода и других элементов, которые имеются в его составе или специально вводятся туда для придания ему тех или иных свойств, при этом количество углерода в нем может быть от 2,14 до 6,67%. Свойства чугуна зависят от следующих факторов:

• структуры металлической основы;
• включений графита – его количества, величины, формы и характера распределения.

Для придания жаростойкости, износостойкости, кислотостойкости и других особых свойств, при производстве чугуна в него вводят специальные добавки – никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан и т.д., которые при введении определенного их процента и делают свойства чугуна особыми. Такие чугуны называются легированными.

Основные трудности при сварке чугуна

К ним относятся:

• высокое содержание углерода (чем выше, тем хуже сваривается);
• высокая жидкотекучесть;
• возможность образования в процессе сварки тугоплавких окислов (их температура плавления гораздо выше температуры плавления самого чугуна);
• склонность к появлению трещин (из-за неоднородности металла), пор (из-за выгорания в процессе сварки углерода).

Все это негативно сказывается на свариваемости и чугун справедливо считают материалом, который плохо поддается сварке. Особенно когда сварку производят дома и нет возможности узнать, какой же марки чугун сваривается. Многие судят о свариваемости чугунного изделия по его излому.

Если излом черный или темно-серый, то придется поднатужиться, чтобы восстановить первоначальные его свойства или вообще не заниматься сварочными работами, не имея специальных электродов и не зная тонкостей технологии.

Основные виды сварки

Специалисты используют 2 вида сварки чугуна – холодный способ и горячий. При холодной сварке необходимо применение электродов, специально предназначенных для сварки чугуна.

Можно сваривать чугунные изделия в холодном состоянии (без подогрева) с применением стальных электродов, изготовленных из низкоуглеродистой стали, но это требует больших усилий от сварщика и понимания им процессов, которые происходят в зоне сварки. Обусловлено этой свойствами чугуна. Металл после окончания сварки быстро охлаждается и это приводит к его хрупкости, что может вызвать появление трещин.

Кроме того, между швом и основным металлом образуется отбеленный чугун, а за ним следует закаленный, что может вызвать появление пор, которые являются недопустимыми дефектами.

При сварке холодным способом еще используют электроды, изготовленные из аустенитного чугуна и из цветных металлов.

Электроды изготовляют из прутков круглой формы, выполненных методом литья, марка применяемого чугуна при этом А или Б. Их диаметр лежит в пределах 4 ÷ 12 мм, при этом прутки Ø 4 мм имеют длину 250 мм, Ø 6 мм – 350, остальные имеют длину 450 мм. Прутки из чугуна марки А применяются при проведении газосварочных работ и являются материалом для изготовления стержней электродов, применяемых при сварке чугунных изделий горячим способом. Прутки марки Б помимо сварки чугуна в горячем состоянии, могут применяться для изготовления стержней электродов, которые используются при проведении сварки полугорячим и холодным способами.

Сваривать такими электродами можно только в одном положении — нижнем. Сила тока зависит от Ø электрода и находится в пределах 270 ÷ 650 А.
Из электродов, изготовленных из цветных металлов, при сварке чугуна используют медные электроды, изготовленные из монель-металла и из никелевого чугуна, имеющего аустенитную структуру.

Медные электроды рекомендуется применять для сварки изделий, которые должны иметь плотные швы и работающих при незначительных статических нагрузках. Их изготавливают из стержней меди Ø 3 ÷ 6 мм, обернутых стальной проволокой или лентой, имеющих низкое содержание углерода. На стержень наносят специальное покрытие — меловое или состоящее из сложного состава.

Такого же диаметра и длины изготавливают стержни из монель-металла (медно-никелевые) и никелевого аустенитного чугуна.Сварка может выполняться как на постоянном токе, так и на переменном.

Отбеливание чугуна и появление закалочных структур можно избежать, применив более продуктивный вид сварки – горячую. В зависимости от температуры предварительного подогрева изделия перед сваркой, различают следующие виды горячей сварки:

• теплую (не более 200 0С);
• полугорячую (нагрев в районе 300 ÷ 400 0С);
• горячую (500 ÷ 600 0С).

В любом случае температура предварительного подогрева не должна превышать 650 0С, чтобы избежать структурных превращений в самой структуре чугуна.

(1-деталь, 2-формовка, 3-графитовые пластины)
A - несквозной раковины
B - облицовка графитовыми пластинами
C - недолива кромки

Этапы процесса проведения горячей сварки следующие:

• подготовка изделия к сварке;
• прогрев до необходимой температуры (в горне, муфельной печи, нагревательном колодце и т.д.);
• сборку (с применением струбцин или прихваток) и установку изделия под сварку;
• собственно сам процесс сваривания;
• охлаждение (медленное).

Все виды горячих способов сварки требуют медленного охлаждения изделия или конструкции после проведения сварочных работ. Это позволит избежать нежелательного отбеливания чугуна, что делает его хрупким. Чаще всего изделие сразу после сварки отправляют в печь и там охлаждают, выключив печь. Иногда такое охлаждение может происходить сутками — зависит от габаритов изделия. В домашних условиях пользуются специальными средствами, которые защитят изделие от быстрого остывания (теплосберегающий материал, например, асбест, шлак, сухой кварцевый песок, древесный уголь).

Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Иногда сварку проводят переменным током, но только в том случае, если длина кабелей от сварочного трансформатора не большая, а напряжение холостого хода более 70 В.

Подготовка к сварке

Место, где будет производиться сварка, должно быть тщательно очищено от загрязнений, масел и других включений. Достигается это с помощью щетки, напильника, наждачной бумаги или болгарки. Масло удаляют с помощью растворителей (бензин, керосин и т.д.) или выжиганием пламенем газовой горелки. В зависимости от толщины свариваемых деталей делают одностороннюю, двухстороннюю, V- и Х-образную разделку кромок (под 90 0).

Разделку обязательно делают при толщине чугунного изделия свыше 20 мм, но иногда разделку кромок выполняют у деталей, толщина которых 4 мм им выше. Концы трещин, при их наличии, обязательно засверливают. Чтобы выявить концы трещин применяют травление слабыми растворами соляной или азотной кислоты (2 ÷ 6%).

В более сложных случаях, когда варят ответственные изделия, тяжелые и громоздкие, к которым предъявляются требования по прочности, используют болты или шпильки, которые ввертывают в подготовленные кромки обязательно в шахматном порядке. При этом диаметр шпилек (болта) не должен превышать 0,4 толщины детали, подвергающейся сварке. Шпильки (болты) должны обязательно вкручиваться так, чтобы выступать над поверхностью детали (не более 1,2 Ø шпильки или болта.) Изделия вкручиваются не только в местах разделки кромок, но и с каждой стороны детали (в один ряд). Между шпильками (болтами) расстояние тоже оговаривается и оно не должно превышать не 6 Ø шпилек.

Сварка чугуна с применением стальных шпилек
A — установка шпилек при V-образной подготовке кромок
B — обварка шпилек

Сварка далее проводится следующим образом. Каждая шпилька обваривается стальным электродом Ø 3 мм кольцевыми швами. Сварка ведется на малых токах и вразброс, во избежание перегрева. Затем вся поверхность все теми же кольцевыми швами покрывается слоем наплавленного металла толщиной, которая не должна превышать толщину чугуна.

Так как чугун обладает высокой жидкотекучестью, то для придания металлу нужной формы производят в некоторых случаях, формовку места сварки. Для этого пользуются графитовыми пластинками, скрепленными специальной формовочной массой, состоящей из кварцевого песка с жидким стеклом. Могут использоваться огнеупоры или другие аналогичные материалы. На производстве это определяется в нормативной документации. Для формовки могут применяться формовочные материалы, которые используются в литейном производстве.

Особенности сварки стальными электродами

Стальные низкоуглеродистые электроды применяются для сварки чугуна в виду их дешевизны и доступности. Ими допускается сваривать изделия неответственных деталей и при небольших дефектах. Но чтобы ими качественно варить, необходимо первый плакирующий слой в разделке выполнять электродами марки ЦЧ-4.

Применяя обычные электроды марки АНО-4, УОНИИ 13/45 и др. марок наиболее часто используемых при сварке электродов, используют еще и медную проволоку. Она наматывается прямо на электрод, при этом ее масса должна превосходить саму массу электрода в 4 ÷ 5 раз или она используется в качестве присадочного прутка.

Технология сварки чугунными электродами

Сейчас свободно можно приобрести специальные электроды по чугуну, выпускаемые различными производителями. В основном они изготовлены на основе железа, никеля, меди и представляют собой стержни из металла, покрытые тонким слоем обмазки. Выпускаются, как правило, по техническим условиям предприятия-изготовителя.

В состав обмазки входит железный порошок. К ним относятся электроды по чугуну марки ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-3, ОЗЧ-4, ОЗЧ-6, ОЗЖН-1, ОЗЖН-2, МНЧ-2. Диаметр выпускаемых электродов лежит в пределах 2 ÷ 20 мм, а длина их – 300, 350 и 450 мм. Все они имеют отличительную характеристику – с их помощью хорошо формируется сварочный шов. Многие из этих марок допускают соединение деталей внахлестку, встык, а также выполнять угловые соединения.

Величина сварочного тока находится в прямой зависимости от Ø электрода и лежит в пределах 50 ÷ 600 А. Обычно сварочный ток выбирают в районе 50 ÷ 90 А на 1 мм Ø электрода. Сварку ведут небольшими валиками (не более 50 мм) с их последующим охлаждением до температуры 50 0С. В процессе сварки швы в обязательном порядке проковываются молотком, вес которого не должен превышать 1,2 кг. У молотка должен быть боек закругленого типа. И надо помнить следующее, что первый и последний слой в многослойной сварке не подлежат проковке, т.к. это может привести к появлению трещин.

Иногда сварку производят с помощью заплат. Для этого применяют вставки, изготовленные их чугуна или стали. Таким способом обычно заделывают пробоины в чугунной конструкции. Электроды при этом должны быть марки ОЗЧ-6.

Сварка чугуна неплавящимися электродами

Изделия из чугуна можно сваривать неплавящимися электродами (угольным, графитовым, вольфрамовым), но обязательно используя присадочный пруток — стержни или прутки из чугуна, содержащие такие металлы как никель, медь, алюминий и другие.

Зону шва в процессе сварки от вредного воздействия воздуха защищают с помощью флюса (буры) или инертного газа (аргона). Чаще всего используется такой вид сварки как сварка переменным током в среде аргона вольфрамовым электродом с применением никелевых прутков.

Особенности сварки чугуна аргоном

Сварка чугуна полуавтоматами с защитой газами (аргоном) позволяет получить швы высокого качества, особенно когда сварку производят инвертором. Обязательно проводится местный прогрев изделия до температуры не менее 300 0С. В качестве присадочного материала используются прутки, изготовленные из никеля. Иногда пользуются алюминиевобронзовыми прутками, но не для изделий, которые будут впоследствии подвергаться нагреву.

Более производительный вид сварки чугуна с помощью автоматов выполняется с применением порошковых проволок, специально разработанными специалистами для такой сварки. В них содержится полный комплекс специальных модифицирующих элементов. Они вводятся в виде лигатуры, основой которой является кремний. Каждая марка используется для проведения следующих работ:

• ПП-АНЧ-1 - заваривания без предварительного подогрева небольших дефектов, при этом в дальнейшем поверхности не подвергаются механической обработке;
• ПП-АНЧ-2 - заварки дефектов на изделиях большой толщины с предварительным подогревом и без него;
• ПП-АНЧ-3 - заварки дефектов самых различных размеров с предварительным подогревом до высокой температуры (горячая сварка);
• ПП-АНЧ-5 – ремонтной сварки изделий из высокопрочного чугуна с предварительным подогревом;
• ППСВ-7 – заварки дефектов на отливках.

Газовая сварка чугуна

Применяется только для осуществления ремонтных работ. В качестве присадочного металла используют прутки, изготовленные из латуни. Это позволяет получить сварной шов необходимой плотности. Кроме того, такой шов хорошо поддается механической обработке.

Присадочным металлом служит сварочная проволока марки Св-08 и Св-08А, стержни из чугуна марки А. Непосредственно перед сваркой разделанные кромки детали прогревают, а затем засыпают из флюсом. Выбор наконечника горелки зависит от толщины свариваемых деталей. При толщине до 5 мм необходимо использовать наконечник № 3 или 4, от 5 до 10 мм — № 4 или 5, от 10 до 15 мм – № 5 или 6, а металл толщиной свыше 15 мм сваривают с помощью наконечника № 6 или 7. Расход ацетилена может колебаться от 50 до 75 л/ч на 1 мм толщины детали.

В процессе сварки сварочную ванну постоянно помешивают концом прутка и туда же периодически подсыпают флюс. Флюс может состоять на 100% из буры или быть многокомпонентным (сода, поташ, бура, поваренная соль и борная кислота в различных количествах). Эти же флюсы применяются и при пайке чугуна.

Номер наконечника горелки подбирается в зависимости от расхода ацетилена на 1 мм толщины свариваемой детали (50 ÷ 75 л/ч).

Хоть чугун относится к трудно поддающемуся сварке материалу, однако его ремонтируют повсеместно – на предприятиях, в маленьких мастерских, в домашнем хозяйстве. Главное знать, чем варить и как. Ремонт поврежденных изделий, заварка изделий литейного производства и даже создание литосварных конструкций и изделий из чугуна возможно и в домашних условиях при правильном подходе к решению проблемы. А это правильный выбор оборудования, сварочных материалов и технологии сварки. Тогда качество будет обеспечено.

Трудности при сварке: Есть опасность образования горячих трещин из-за повышения степени жёсткости сварной конструкции, многослойности швов, многокомпонентного легирования.

1) Решение гор. тр.: Понижать концентрацию С за счёт применения специальных сварочных материалов (св-08ХН2ГМФ); ограничить концентрацию Si.; дополнительное легирование шва Ni; при выполнении корневых швов обеспечивать оптимальную форму проплавления, сварку деталей <15мм без подогрева, при >15мм – подогрев (100-200Со). Если сварка производится при температуре окр. среды Т<0, то требуется предварительный подогрев независимо от .

2) Хол. тр. – т. к. это стали бейнитного класса или мартенситного. При образовании холодных трещин существенна роль Н2. Методы предотвращения холодных трещин:

1. Технология сварки должна быть маловодородистой.

2. Подогрев (местный – при Т=150-200Со, t=1-2ч) после сварки.

3. При выполнении многослойного шва рекомендуется технология с получением мягких прослоек: При выполнении многослойного шва применяются различные сварочные материалы, т. е. получается комбинированный металл шва. Наиболее опасные участки с точки зрения холодных трещин должны быть более пластичными. Наиболее опасна корневая часть шва, швы в середине сечения. При использовании мягких прослоек нельзя ими увлекаться, т. к. может произойти снижение прочности всего шва. При выборе сварочных материалов для выполнения мягких прослоек исходят из требуемого уровня механических свойств св. шва.

0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Требуемый уровень, т

Марка св. проволоки для мягких прослоек

> 75кг/мм2

Св-08ХМФ; Св-08ХГСМФ; Св-08ХН2ГМЮ; Св-10ХГ2СН2МФ

Св-15Х2Г2СН2МХА

При выполнении многослойного шва процесс сварки ведётся непрерывно с полным заполнением всего сечения многослойного шва. Разрешается прекращение сварки, но если выполнено 70% сечения шва, то это нежелательно. При выполнении многослойного шва нельзя допускать охлаждения предыдущего шва ниже рекомендуемой Т нагрева:

<20мм Т = 60 – 100оС; > 20мм Тпод = 100-150оС

Нельзя допускать перегрев выше 200-230оС.

4. Кромки должны быть очищены от ржавчины, влаги, масла.

5. Необходимо обеспечить самоотпуск образующегося мартенсита.

3) Поры появляются, если происходит нарушение защиты св. зоны от воздуха и влаги. Поры от выгорания С маловероятны.

4) Проблема равнопрочности металла сварного соединения и основного металла.

Проблема остро состоит в связи с особыми требованиями к механическим свойствам соединения, определяемым условиями эксплуатации. Если соединение (конструкция) эксплуатируется при Т< 350оС, в основном металле и шве не допускается наличие силикатных оксидных включений – это продукт кремниевосстановительных металлургических процессов.

SiO2 + 2Fe ó 2FeO + Si

SiO2 – тугоплавкое соединение, активный концентратор напряжений.

Необходимость выполнения этого требования потребовала разработать специальную группу сварочных материалов.

Нельзя было применять высокотехнологичные высококремнистые высокомарганцовистые флюсы Ан-348 (засорение металла шва SiO2); Ан-22 (меньше SiO2, но не имеет хороших сварочно-технологических свойств).

Было создана особая система «флюс-проволока».

Ан-17м окислительные флюсы, имеющие повышенную концентрацию SiO2 (30-35%), позволяющую обеспечить хорошие сварочно-технологические свойства (хорошее отделение шлаковой корки, стабильное горение дуги).

Для уменьшения металлургической активности SiO2 во флюс умышленно вводилась определенная концентрация FeO.

SiO2 + FeO è SiFeO3 – не является активным.

Проволока должна быть соответствующей системы легирования.

Особенности технологии сварки.

1. Конструктивное оформление сварных кромок.

3. Стык собирается на прихватках.

При необходимости перед прихватками – подогрев (повышенная толщина).

5. Сварочные материалы – специальные.

РДС . Электроды должны быть низководородистыми, с покрытием основного типа, с использованием для стержня специальной легированной проволоки. Рекомендуется тип электрода Э70 марки 48н11 (н - низководородистый, для судостроения), АНП-2 обеспечивает повышение уровня ударной вязкости при Т= -70Со (49 Дж/см2), понижение содержания Н2 (не более 2мл на 100 гр. металла). Сварка на постоянном токе обратная полярность.

Электрод ЭНП-6П – более высокая производительность наплавки, сварка на постоянном и переем. токе, сварка только в нижнем положении или в наклонном (0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Марка стали

Марка св. проволоки

Марка флюса

14Х2ГМР =12мм, =40мм.

Обычные треб. к мех. св-вам.

Повышенные треб. Т и В.

св-08ХН2ГМЮ

св-08ХН2ГМЮ

св-08Н2Г2СМЮ

Ан-17, Ан-43

Сварка в СО2 и в смеси СO2 + Ar

В зависимости от требуемого уровня механич. свойств используются следующие проволоки:

Низкий уровень требований: св-08Г2С

Повышенные требования: в соcтав обязательно входят Si и Mn; может быть сплошной или порошковой.

ПП-АН-54, ПП-АН-55

Проволока св-10ХГ2СМА – для сварки сталей толщиной меньше 30мм

Не предъявляются повышенные требования по хладостойкости металла шва (-60Со).

св-08ХН2Г2СМЮ – сварка сталей при наличии повышенных требований по хладостойкости (Т эксплуатации = -70Со) и более выс. уровень мех. св-в.

Для сварки этих сталей применяют сварку в Ar. Св. проволоки те же.

Минусы: В Ar повышается склонность к порообразованию при попадании кислорода в св. ванну.

Для снижения порообразования используют смеси Ar + Co2, Ar + O2

1) Ar – 78%, CO2 – 22%

2) Ar – 75%, CO2 – 20%, O2 – 5%

Применение смеси даёт:

1) Струйный процесс переноса металла

2) Нет пор

3) Рафинирование по неметаллическим включениям.

4) Обеспечивается высокая пластичность и ударная вязкость.

Сварка нелегированных теплоустойчивых сталей.

Стали спец. назначения, для изготовления конструкций, работающих при повышенных механических нагрузках, при высоких Т.

Простые стали имеют температурный интервал эксплуатации 350оС, котельн. стали – 400оС, теплоустойчивые – 400-650оС, жаропрочные – 650-850оС. Теплоустойчивые стали считаются экономнолегированными.

Теплоустойчивость обеспечивается за счёт специального легирования.

В их состав обязательно вводят элементы, обеспечивающие длительную прочность – Cr, Mo, V.

Одна теплоустойчивая сталь отличается от другой небольшой разницей Т эксплуатации.

12МХ, 12ХМ Т=530-540

12Х1МФ Т=570-585

15Х1МФ Т=575

Трудности при сварке.

1)Горячие трещины. – способст. неблагоприятная форма провара многослойного шва, большие толщины, высокая степень жёсткости.

В условиях длительной эксплуатации при повышенных температурах это приводит к интенсивной диффузии С, что приводит к охрупчиванию металла св. соединения. Идеальной считается идентичность состава шва и основного металла.

Для решения горячих трещин уделяют внимание литой структуре металла шва, её стремятся получить мелкозернистую, химически однородную на пройессе рафинирования как за счёт применения чистых св. материалов, так и специальных металлургических процессов.

Обеспечение оптимальной формы проплавления.

Применение предварительного подогрева.

Выбор оптимальной последовательности постановки св. шва.

2. Холодные трещины – эти стали имеют высокую чувствительность к образованию холодных трещин, так как они являются представителями бейнитного или мартенситного класса. При сварке этих сталей может быть реализовано несколько механизмов разрушения:

1 замедленное разрушение закал. сталей

2 механизм хладноломкости

В силу специфики химического состава этих сталей Тхруп металла м. б. выше комнатной Т.

3. Механизм синеломкости – металл имеет провал механических свойств в интервале температур С.

4. Термическое старение – при длительном нахождении при Т= С.

Выбор методов устранения холодных трещин определяется механизмом образования холодных трещин. Если холодные трещины возникают по механизму хладноломкости – необходимо обеспечить нагрев выше Тхруп.

2. По механизму синеломкости – то нельзя иметь Т подогрева выше интервала Т синеломкости.

3. По механизму термического старения – то Т слоя ≤ Т старения.

4. По механизму замедления разрушения – то технология сварки должна быть низководородистой; регулирование структуры состояния металла с целью ограничения возможностей образования мартенситных структур, основан на регулировании скорости охлаждения.

Регулирование силового фактора при предотвращении холодных трещин – проведение отпуска (окончательного и промежуточного). Особенность отпуска - можно применять только высокий отпуск, так как Т среднего отпуска = Т синеломкости.

Низкотемпературный отпуск:

Невысокая температура нагрева

Продолжительный период обработки.

Поры возможны при отклонениях от технологии сварки.

4. Обеспечение требуемого уровня длительной прочности, т. е. обеспечение способности металла_...............в условиях длительной эксплуатации под действием напряжений и высоких температур.

При Т=560-600 ________________ усиление диффузионных процессов. При неблагоприятном развитии этих процессов наблюдаются изменения в структуре, приводящие к охрупчиванию металлов в процессе эксплуатации. Наиболее легко диффузирующим элементом является углерод. Процессу диффузии С способствует то, что в процессе образования горячих трещин все технологии сварки____________________ , может быть создание grad концентраций между ЗТВ и зоной металла шва.

Движущей силой для диффузии С может быть неравномерное распределение концентрации карбидообразующих элементов. При неравномерном распределении карбидообразующих элементов имеет место реактивная __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ определяется не grad концентрации С, а grad карбидообразующих элементов. При диффузии элементов имеет место восходящая диффузия. Задача технологии сварки состоит в том, чтобы исключить неблагоприятные процессы диффузии С. В основе процесса диффузии лежит неоднородность состояния металла шва и ЗТВ. Если бы технология сварки обеспечивала идентичность металла шва и ЗТВ, то таких процессов диффузии не могло бы быть. Но практически это условие, особенно при сварке плавящимся электродом, не выполняется. Все современные технологии сварки предполагают_______________________________________________________________ все степени неоднородности:

Понижение содержания С

Уменьшение легированных элементов

Номенклатура сварочных материалов ниже, чем ____________компонентов основного металла.

Литая структура и прокатная структура имеют разную прочность

Металл шва всегда отличается от основного металла

Исходя из того, что абсолютную идентичность создать нельзя, при разработке технологий следует обеспечить идентичность элементов образующих карбидообразующие элементы или следует обеспечить в металле шва и основном металле карбидообразующую активность.

Это обеспечивается выбором соответствующих свойств материалов. Выбор типа электрода при РДС определяется химическим составом наплавленного металла, а не уровнем прочности наплавленного металла. Для теплоустойчивых сталей электроды составляют особую группу, т. е. электроды для обычных сталей непригодны.

Особенности технологии

Основной тип соединения – стыковые многопроходные многослойные швы. Тип разделки – U-образная, которая должна обеспечить провар корня шва. Подготовка поверхности – механическая подготовка сварных кромок, термические способы не рекомендуются. Сборка стыка – на прихватках, после наложения прихваток сразу вести сварку. Режимы сварки. Предпочтительна сварка на малых и умеренных погонных энергиях. Сварочные материалы – особая группа сварочных материалов. РДС – тип электрода определяется составом наплавленного металла..

Электроды применяются с основным покрытием.

Сварка под флюсом. Применяется защитнолегирующие флюсы с пониженным содержанием оксидов кремния и марганца в сочетании с легированной проволокой.

Сварка в СО2. Для теплоустойчивых сталей применяются ограничения, так как возможно окисление легирующих элементов теплоустойчивых сталей. Обязательное присутствие в проволоке марганца и кремния, чтобы не было пор вследствие выгорания С и дополнительно в проволоку вводятся элементы, обеспечивающие длительную прочность (хром, молибден).

Сварка в Ar вольфрамовым электородом . Находит применение в основном при выполнении комбинированных сварных швов, т. е. швы выполняемые несколькими способами сварки. Как основной, единственный способ сварки многослойного шва применяется редко, только в том случае, если не разработаны другие способы сварки.

Недостатки :

· Малопроизводительный процесс

· Очень чувствительный к попаданию влаги в сварочную зону

· Повышенная вероятность появления дефектов

Проволока та же, что и при сварке в СО2 и He/

Сварка конструкционных СЛ высокопрочных сталей.

Стали спец. назначения.

В зависимости от уровня прочности делятся на:

Средней прочности (σt до 90 кг/мм^2 σв=100кг/мм)

Высокопрочные (σt = 90-140 кг/мм^2 σв=кг/мм)

Сверхвысокопрочные.

Эти стали σt до 200-220 кг/мм - применяются для изготовления СК.

Среднеуглеродистые

Низкоуглнродистые

Такие стали прем-ся в различных отраслях промышленности.

Общая особенность: высокопр. СЛС стали многокомпонет. легирования, чем выше комплекс легирования, тем выше комплекс свойств.

Стали примен при эксплуатац в термоупрочненном состоянии, чем меньше Тотпуска тем бол уровень проч. Стали этой группы: 12Х2Н4А,20Х2Н4А,12Х2НВФ,23Х2ГСНМ-изг корпуса ракет

ВЛ-1Д-силовые узлы самолетов.

Общим для этих сталей является в хрупком состоянии.

=0- трещин не будет l=lн+lсв

Наиболее зфектив. регулир-ть силов. фактор можно регулировать при св-е не жестких св. констр.

Для уменьшения температ. деформации можно уменьшить вел. наблюдаемой деформации, для не жестких СК lн>0 .

При св констр. имеющ. опр. жесткость возможность регулиров. силов. факторы ограич..

Наиболее опасным для св. констр. имеющ. жесткость яв-ся когда lн=0,т. е. l=lсв.

При св толщ более 30мм практически регулировать силов фактор не возможно. В этом случ для повышен стойкости против гор тр нужно обратить внимание на регул-е деформац-й способности. Факторы влияющие на образование гор тр.

1 ∂l / ∂ T∆

∆= σмин / TИХ, бол ∆ тем бол вероятность отсут. гор тр.

https://pandia.ru/text/77/494/images/image010_14.gif" width="180" height="156 src=">

Эти факторы можно регулировать обеспечив.:

l Получение литой структуры

Идеальной стр явл равноосная дендрит струк-ра. Обычно получается столбчатая дендритная структура возд на кристаиз ме Возд-я

1 искуст замораж св ванны – в хвостовую часть вводится порошок(соответств по составу стали или железный порошок). При попадании порошка в хвостовую часть св ванны обеспечивается:

1) снятие перегрева св ванны.

Оставшиеся частицы порошка котор не расплавляются явл дополнительными центрами кристаллизации. Если порошка мало, то можно не достигнуть нужного эффекта. При формиров. дендритов нужно искл. формирован микропористости, это можно сделать если послед порции ме будут затверд в условиях подпитки, а не замкнутого объема. Это реализ при аргоно-дуговой св неплавW электродом при св сталей группы СП.

2) Электро-магнитное перемешивание - введение Эл-магнит-х колебаний опред частоты и амплитуды на кристалл ме св ванны(нужно генерат.,соленойд). Этот способ реализ при аргоно-дуг св. При этом наблюдается сжатие объемов жидкой фазы и обламывание кончиков столбчатого дендрита, и попадая в св ванну они явл дополн центрами кристализ.

3) УЗ перемешивание

4) Можно испол и механ воздействия основанные на поперечных колебаниях электрода, при св неплав электродом. Амплитуда и частота колебаний должна быть такой, чтобы происходило синхронное изменение положения ванны относительно оси шва, прим при аргоно-дуг св.

11 Модифицирование металлической структуры ме шва – введение в св ванну модификаторов. Они обеспечивают создан в св ванне допол центров кристалл.. Процесс крист из направленного переходит в объемный. Идеал вариант – получение равноосной дендритной стр-ры по всему сечению шва. Достаточным вариантом явл получение равноосн дендр стр в центральной части шва. Как правило модификаторы это легко окисляем элементы, поэтому их трудно ввести в чистом виде в св ванну, т. к. они могут окислится до введения. Эффективным способом ввода модификаторы явл через основной ме, через св проволоку и покрытие в электроде не желательно, т. к. на стадии капли модификаторы могут окислиться. Наиболее эф является ввод

модификаторов за счёт соответ. металлургич процессов, основ-х на восстанов-и модифик-в из оксидов, шлака или шихты порошков пров-и.

TiO2 + Fe → FeO + Ti

Обязательным условием явл-ся оптимизация форм проплавления шва. Узкий и глубокий – не оптимальный. Оптимальной явл-ся:

Необходимо применять:

Дополнительно можно проводить рафинирование мет-ла шва по J и P . За счёт спец. назначаемых металлург-х операций. Рафинирование по P трудно осуществимо, т. к. можно выполнять 2 разных условия:

В шлаке иметь опр. Конц-ю FeO, сделать шлак окисл-м. в шлаке можно иметь CaO.

Для исключ. Вред. Влияния P обяз-о прим-т компоненты чистые по P .

Рафинир. по S возможно. Можно в составе иметь достат. конц-ю CaO, т. е. прим-ть флюсы основного типа CaO + FeS = CaS + FeO

CaS – легко уходит в шлак.

Наиболее вероятно образ. горячих трещин на след. матер-х: ЛТП-1

2. Холодные трещины – очень распростр-ны на СЛС. Хол. трещ. могут возникать как ОШЗ так и в мет-ле шва. Трещ. в шве возн-т, если мет-л шва идентичен по своему сост-ву свар-му мет-лу. При сварке в Ar неплав. эл-ом без присад. пров., стойкость против образ. хол. трещин на много ниже стойкости в ОШЗ.

Хол. тр. явл-ся трещ-ми замед-о разрушения, т. е. связаны с закалочными явл-ми в мет-ле св. с. В зависимости от конц-и H кол-во образ-го мартен-та и конц-и С могут встречаться и реализ-ся по разному, роль конкретного фактора

Если ↓ C и ↓ М , то образ-е хол-х трещ-н - нет. Рпи С > 0,3 – повыш-ся склонность к образ-ю хол-х трещин.

ЛЕКЦИЯ №12

Хол. трещины в ОШЗ : проблема хол. трещин для всей совместимости, рассмотрим материалы в не риска. Техн. сварки и д/б только низководор-й, и чем ниже конц. Н , тем выше вероятн. отсутст. хол. тр.

Ругул-е структуры мет-ла ОШЗ – означает образ-е мартен-й стр-ры при всех способах сварки на этих сталях и возможно по этому регул-е структуры за счёт увел-я погонной энергии не эфф-но и не рацион-но. Увел-е погонной энергии приводит к крупнозернистому март-му. Регул-е стр-ры основано на развитии отпуска или самоотпуска март-та, оптим-м явл-ся прим-е идеального терм-о цикла.

Реал-ся он при малой погонной энергии. Это примен-ся когда это техн-ки возможно, при св-ке тонк-х дет-й. При св-ке для повышения б после св-ки реком-ся послед-й отпуск. При назначении отпуска принцип-м явл-ся время топуска. Идеал-м явл-ся провед-е отпуска сразу после св-ки.

При св-ке сталей этой группы реком-ся – использ-е малых погонных энергий, чтобы обеспечить получение аустенита на стадии нагрева, мелкозерн-о и химически неоднород-о. При таком соот-ии ауст-та, он явл-ся менее уст-м при послед-м охлаждении, поэтому его распад происходит при более высоких тем-х.

Предвар-я термич-я обраб-ка свар-х мет-в с целью получения в мет-е структуры устойчивой к сварочн-му терм-му циклу. Пол устойчивым св-м терм-м циклом понимается обеспечение – мелкого зерна и явл-его хим-ки неоднор-м. Применение такой структуры, явл-ся стр-ра зернистого перлита. Получить стр-ру – трудоёмко. Fe получают, перлитную стр-ру, выдерживая 8-30 ч, в инт-ле темп-р Ас3 – Ас1, может быть реализовано только в спец-х произв-х. Оптимизация хим-ого состава мет-ла шва.

Стойкость к образ-ю хол-х трещ-н в ОШЗ

⌂Т = Тп. мет. * Тосн. мет.

Для повыш-я стойкости против обр-я хол-х трещин, необх-мо обеспечить более легкоплавкий мет-л шва. Чем больше ⌂Т , тем тем больше стойкость к обр-ю хол-х трещ-н в ОШЗ. При исрол-ии этого метода, резко пониж-ся прочностные св-ва мет-ла шва (50-60 кг/мм2), а испол=ого мет-ла (200-220 мм2), швы должны распол-ся вне рабочей зоны или лучше явл-ся связующими. Чтобы мет-л шва был легкоплавким, необходимо в шве иметь новые соед-я С , но это приведёт к образ-ю хол-х трещин.

Холодные трещины в металле шва. Менее распр-ны, чем хол. тр. в ОШЗ, т. к. они реализ-ся редко, т. к. мет-л шва менее легирован, нежели осн-й мет-л.

1. Мет-л шва стремится пол-ть с мелкозерн-ой химич-и однород-й литой структуры.

а. неустойчивость ячеистая

б. – ячеистая

в. столбчатая дендр-я

г. равноосная дендр-я

При повыш-ии скор-ти св-ки ---повыш-ся вероятность стойкости к обр-ю хол-х трещин.

К= 1/н , где н - кол-во травлений при которых выявл-ся границы аустен-ого зерна.

Чем меньше травлений, тем граница менее однородна --- пониж-ся склоннлсть к обр-ю хол-х трещин.

2. Поры - 1) в следст-ии повышения конц-ии N2 маловероятны, т. к. шов обр-ся при надёжной защите от воздуха.

3) Выгорания углерода – маловероятны.

Поры могут быть причиной какого-то нарушения технол-ии св-ки, если нет нарушений – пор нет.

Обеспечение min массу констр., миним-е сечение.

Возм-сть обеспечить равнопрочности в существ-й техн-ии, должны зависить от исх-ого сост-я св. мет. Есть 2 сост-я мет-ла: сырое , не термоупрочнённое, в этом случае оконч-е св-ва обеспечив послед после св-ки термич. обр-ки (зак. + отпуск); термоупрочнённое – обраб-ка мет-в с целью получ. оконч. св-в провод. до св-ки, после св-ки, терм-я обр-ка не прим-ся.

1) Св-ка в сыром сост-ии мет-в наиболее простая.

Обеспечить близость хим-х составов мет. шва и осн. мет-а. Это просто, т. к. оконч-я терм-ка выб-ся по хим-му сост-ю свариваемого мет-ла.

Обеспечит отсутствие в мет-ле шва деф-ов (пор, трещин, шлаковых вкл-й), если они б/т не получили н/е св-ва.

Получение мелкозернистой литой хим-ки однор-й структуры.

Полную идентич. хим. сост. мет. шва и осн. мет. во всех способах св-ки практически невозможно. Все способысв-ки плав-ся эл-ом это не гарантируют.

В мета-ле шв для предотв-я гор. тр. несколько ниже сод-е углерода.

Для компенсации отриц-ого действия литой стр-ры на св-ва, приход-ся корректировать хим-й состав.

некот-е различн. хим. сост. мет. шва и осн. мет. следует ожидать различные мех. св-ва после оконч-й терм-ки, поэтому у мет. шва должен быть меньший уровень мех. св-в, даже при св-ке в сыром сост-и.

2) Св-ка мет. в термоупрочн-м сост. применяется редко, необходимо рассотреть как вынужд. вариант св-ки.

Применяют:

Когда невозможно по техн-м причинам провести оконч-ю термообр-ку, сварив материал (нет таких размерных печей);

Лекция

В ряде случаев имеются надежные методы. Наиболее надежным способом повышения стойкости против образования горячих трещин является создание в металле шва двух фазной первичной структуры; структуры типа аустенит+феррит.

https://pandia.ru/text/77/494/images/image020_8.gif" width="408 height=206" height="206">

Для Ст.3=10-11 мм/мин, а здесь 2 мм/мин

Mn концентрация феррита – 2% дает повышение стойкости против горячих трещин, max. – 40%.

Чистые ферритные фазы имеют стойкость к горячим трещинам, чем больше ферритная фаза, тем больше стойкость.

Есть ограничение на допустимую концентрацию феррита в металле шва, накладываемая эксплуатацией, в частности, на количество ферритной фазы оказывает Т экспл. ; - если Тэкспл <300С, то никаких ограничений на количество ферритной фазы в металле шва не накладывается:

Если Т экспл <600С, то количество ферритной фазы =< 80%.

При более высокой концентрации наблюдается охрупчивание металла шва. При Т=475С обеспечивается явление хрупкости.

Если Т >600С, то ферритная фаза является нежелательной, если стали стали используются как жаропрочные – феррита не должно быть.

Если Т < 100С – ферритная фаза недопустима.

При работе в агрессивных сферах ферритная фаза недопустима. Когда ферритная фаза недопустима, то в процессе проектирования сварной шов выводят за пределы агрессивной среды рабочей зоны. Если возможно, то сварной шов выполняет, обеспечивая необходимую концентрацию ферритной фазы. Определенную концентрацию ферритной фазы обеспечивают за счет оптимизации химического состава металла шва. Основанная на подборе аустенизаторов и ферритизаторов.

Другая структура двухфазная – аустенит + карбид. Этот способ менее распространен, но иногда применяется, он предусматривает введение в металл шва повышения концентрации углерода (С) и некоторых карбидообразующих элементов.

Примеры: ниобий и углерод, карбидная необиевая эвтектика, соотношение 10:1. С = 0,1-0,3% Nb = 1 - 3%.

Наиболее сложно решить эту проблему в однофазной ферритной и аустенитной структуры.

Чисто аустенитной стали – нет надежных методов решений, способов много, но ни один не универсальный. При сварке жаростойких сталей (повышенная концентрация С и Si), вредно-действенным элементом является Si, стойкость можно повысить, если легировать шов углеродом (углерод снижает вредное влияние кремния).

При сварке коррозионно-стойких сталей этот метод непригоден, т. к. повышение концентрации в шве повышает склонность к м. к.к.

На жаростойких сталях снижение вредного влияния кремния достигают за счет ведения сварки на малых погонных энергиях.

Положительное влияние на стойкость против горячих трещин на чисто аустенитных сталях оказывает легирование шва N, но до определенных пределов. N позволяет ослабить вредное влияние Si. Дополнительное легирование Mo.

Определенное влияние на повышение стойкости против горячих трещин оказывает форма проплавления, причем чем больше K -> выше стойкость, т. е. широкие мелкие швы на низкоуглеродистых сталях. На ВЛС – ниточные швы при K=min, без поперечных колебаний электрода. Рекомендуется сварка на повышенных скоростях на низких напряжениях, но и умеренных токах.

Лекция

Когда в шве нельзя сделать ферритную фазу, применяют комбинированный металл шва, при выполнении шва применяются разные сварочные материалы.

Наиболее опасная зона образования горячих трещин (шов многослойный) при V-образной разделке – корень шва применяют материалы обеспечивающие аустенитно-ферритную структуру. Заполнение разделки и той части которая контактирует с внешней средой выполняется материалами обеспечивающими аустенитную структуру.

Более сложные технологии выполнения металла шва которые предполагают: предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием материалов обеспечивающих получение чисто аустенитной мет. Наплавки, затем проводят обработку наплавленного слоя, выполняют необходимую форму разделки. Корневая часть заполняется с помощью материалов обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру (2-3) материал аустенит + феррит, остальные материалы обеспечивающие аустенитную структуру – применяются на аустенитных сталях.

Стойкость против межкристаллитной коррозии (м. к.к.). Явление м. к.к. имеет место при выдержке металла в определенном интервале температур (500-800 С), если в условиях эксплуатации мет. Долю находящуюся при Т=500-800 С.

Носителем стойкости против м. к.к. является концентрация хрома (Cr) в твердом растворе, если Cr=13%, то стойкость гарантируется.

Если концентрация Cr уменьшается то появляется склонность к м. к.к. Основной причиной понижения концентрации Cr, является образование карбидов хрома выпадающих по границам кристаллитов.

Для того чтобы предотвратить м. к.к. необходимо исключить образование карбидов хрома на стадии ТО, эксплуатации, изготовлении.

Для предотвращения образования карбидов Cr можно обеспечить оптимальные условия тепловой обработки методом сварного соединения. Назначая режим сварки, необходимо исключить нахождение методов в опасном интервале температур. Это направление не является универсальным.

Наряду с этим применяют металлургические способы в сочетание с технологическими способами. Для образования карбидов необходимо наличие C и Cr. Cr – основной легирующий элемент. При сварке пытаются оптимизировать химические составляющие стали по концентрации С. На коррозионостных сталях С является вредной примесью. Идеальный вариант – отсутствие С. Идеальным является концентрация С в шве и стали не выше предела растворимости С тв. растворе (С=<0,02-0,04%). Получение такой стали очень сложно (очень дорогие). К сожаленью, обеспечить такую низкую концентрацию углерода в металле шва очень трудно, т. к. при сварке наблюдается явление науглероживания металла шва. Для сварки ВЛС основным типом электрода является электрод с основным покрытием.

Это покрытие имеет мел и мрамор (СaCO3). СaCO3 при Т=900С диссоциирует с образующим СaО+О2, СО2 –формирует газовую фазу, диссоциирует – СO+O2. Далее СО - С+О степень диссоциации СО небольшая. Свободный с б/т науглероживания металла шва. Реально концентрация С=< 0,05-0,07% - склонна к М. К.К. в металле шва. Кроме этого метода применяют и другие методы. Идея второго метода введена в сталь и сохранение этих элементов в шве, которые называются стабилизаторами (и должны быть сохранены в металле шва). Стабилизаторы – они стабилизируют содержание Сr в твердом растворе. Стабилизаторы – это элементы, которые обладают большим сродством с углеродом, чем Сr. При их наличии в достаточном наличии образуются карбиды на Сr, карбиды этих элементов. Введение стабилизаторов позволяет решить проблему М. К.К. при повышении концентрации С. Применение таких стабилизаторов является Ti. Nb. Ti – является более активным стабилизатором, чем Nb.

Но в практике решения М. К.К. Nb также широко используется при выполнении сварочных швов. Это связано с тем, что у Ti худшая степень усвоения. При сварке есть возможность сохранения свободного Ti (активного) в шве.

У Nb степень усвоения выше, чем у Ti. Чем ниже концентрация С, тем лучше. Стабилизирование обеспечивает сохранение Cr в твердом растворе в наименьшем количестве.

Кроме этого, применяют стабилизирующий отжиг. Применяется, когда нельзя избежать образования карбидов Cr и появляется опасность развития М. К.К. Стабилизирующий отжиг – нагрев до Т=950С с выдержкой до полного восстановления, имеющий и образовавший карбиды Сr. В процессе эксплуатации проводят стабилизационный отжиг. А также следующий метод создание в металле шва двухфазной ферритной структуры аустенита (ф-20-25%). Более высокой концентрации нежелательно появляется проблема общей коррозии.

7. Проблема пор

Из возможных причин исключаются возможность выгорания С, вследствие повышения концентрации N (т. к. требуется надежная защита от воздуха), повышение концентрации H- поры могут иметь место, т. к. ВЛС имеют большую разницу растворимости H в твердой и жидкой фазе. Для решения этой проблемы, св. материалы не должны содержать минеральных компонентов, хорошо прокалены и правильно хранится.

8.Проблема холодных трещин

Менее распространенный дефект и встречающийся при сварке сталей, в структуре которых есть мартенсит. Т. К. ВЛС имеют концентрацию C, поэтому мартенсит пластичный; поэтому существенную роль в образовании холодных трещин играет H. При сварке ВЛС рекомендуется применять низко-H технологии. Создание условий для удаления H из металлов сварного шва - это обеспечивается предварительным подогревом, последующий подогрев или термообработка в виде отпуска после сварки.

Защитный газ необходимо предварительно просушить или добавить к нему 2-5% кислорода. Это обеспечит плотность шва.

Нужно поддерживать самую короткую дугу и добиваться получения шва с низким коэффициентом формы (отношением ширины шва к его толщине). Иначе в металле шва и околошовной зоны появятся горячие (кристаллизационные) трещины.

После сварки металл должен как можно быстрее остыть. Для этого используют медные, охлаждаемые водой, подкладки; промежуточное остывание слоев; охлаждение швов водой. Это повысит коррозионную стойкость сварного соединения

Снимать фаску для получения скоса кромки можно только механическим, способом. Перед сборкой свариваемые кромки защищают от окалины и загрязнений на ширину не менее 20 мм снаружи и изнутри, после чего обезжиривают.

Сборку стыков выполняют либо в инвентарных, приспособлениях, либо с помощью прихваток. При этом необходимо учесть возможную усадку металла шва в процессе сварки. Ставить прихватки в местах пересечения швов нельзя. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к основному сварному шву. Прихватки с недопустимыми дефектами (горячие трещины, поры и т.д.) следует удалить механическим способом.

Выбор параметров режима. Основные рекомендации те же, что при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Главная особенность сварки высоколегированных сталей - минимизация погонной энергии, вводимой в основной металл. Это достигается соблюдением следующих условий:

отсутствие поперечных колебаний горелки;

максимально допустимая скорость сварки без перерывов и повторного нагрева одного и того же участка;

минимально возможные токовые режимы

Техника сварки. Основное правила поддерживать короткую дугу, поскольку при этом расплавленный металл лучше защищен газом от воздуха. При сварке в аргоне W-электродом подавать присадочную проволоку в зону горения дуги следует равномерно, чтобы не допускать брызг расплавленного металла, которые, попадая на основной металл, могут вызвать очаги коррозии. И начале сварки горелкой подогревают кромки и присадочную проволоку. После образования сварочной ванны выполняют сварку, равномерно перемещая горелку по стыку. Необходимо следить за глубиной проплавления, отсутствием непровара. По форме расплавленного металла сварочной ванны определяют качество проплавления: хорошее (ванна вытянута по направлению сварки) или недостаточное (ванна круглая или овальная)

Контрольные вопросы:

1. Зачем в аргон добавляют 2-5% кислорода?

3. Почему сварка высоколегированных сталей выполняется на минимальной погонной энергии?

Контрольное задание:

1. Вам как сварщику необходимо подобрать присадочный материал, силу сварочного тока, подготовку кромок для сварки стали 12Х17