Сварка углеродистых и легированных конструкционных сталей

Углеродистые (более 0,30% С) и легированные (легирующих элементов до 3—5%) конструкционные стали (45, ЗОХГСА, 40ХФА и др.) применяют в состоянии закалки и отпуска как материал повышенной прочности для изготовления деталей машин и кон­струкций. В нормализованном состоянии (закалка с охлаждением на воздухе) они имеют перлитную или мартенситную структуру и по этому признаку являются сталями перлитного или мартен-ситного класса.

Стали, одновременно легированные хромом, молибденом и вана­дием, относятся к теплоустойчивым сталями (15ХМ, 15Х1М1Ф и др.). По структуре в нормализованном состоянии теплоустой­чивые стали могут быть перлитного и мартенситного классов.

Электродуговую сварку углеродистых и легированных сталей выполняют электродными материалами, обеспечивающими необ­ходимые механические свойства или теплоустойчивость наплав­ленного металла. Основная трудность при сварке углеродистых и легированных сталей заключается в закалке околошовной зоны и возможности образования холодных трещин. Для предупрежде­ния холодных трещин рекомендуется:

· подогревать изделия до 100—300° С для замедления охлаждения и исключения закалки сварного соединения;

· заменять однослойную сварку многослойной; при этом сва­ривают валиками небольшого сечения по неостывшим (ниже 100—
300° С) нижним слоям металла;

· применять для сварки основные электроды и флюсы; перед сваркой прокаливать электроды и флюсы при 400—450° С в течение нескольких часов для удаления из них влаги; сваривать на постоянном токе обратной полярности;

· производить отпуск изделий непосредственно после сварки до 300° С и выше для повышения пластичности закаленной структуры.

Контактную точечную сварку конструкционных сталей выполняют на мягких режимах (продолжительный нагрев током и быстрое удаление заготовок из машины во избежание отвода теплоты электродами). Контактную стыковую сварку этих сталей произ­водят методом прерывистого оплавления, что обеспечивает подо­грев деталей перед сваркой.

Сварка высокохромистых сталей

Высокохромистые стали, содержащие 12—28% Сr, обладают антикоррозионными и жаропрочными свойствами. В зависимости от структуры в нормализованном состоянии их подразделяют на ферритные (12X17, 15Х25Т, 15X28), ферритно-мартенситные (12X13) и мартеиситные (20X13, 30X13, 40X13).

Трудности при сварке ферритных сталей связаны с охрупчи-ванием металла шва и зоны термического влияния. При нагреве до высоких температур происходит интенсивное укрупнение зе­рен. При замедлении охлаждения в области температур 550—400° С по границам зерен выпадают хрупкие фазы.

Для предупреждения указанных явлений при сварке этих сталей необходимо:

1) сваривать при малых погонных энергиях, т. е. применять пониженные значения тока и валики малого сечения для ускорения охлаждения при сварке;

2) отжигать после сварки при 800—900° С для растворения хрупких фаз с последующим быстрым охлаждением. При сварке ферритно-мартенситных и мартенситных сталей возможны закалка шва и околошовной зоны и образование холодных трещин. Для предупреждения трещин эти стали сваривают с подогревом до 200—300° С.

Сварка аустенитных хромоникелевых сталей

Введение в хромистую сталь, содержащую 18% Cr, 8%Ni пе­реводит ее из ферритного класса в аустенитный. По сравнению с ферритными сталями аустенитные обладают более высокой кор­розионной стойкостью и жаропрочностью. При сварке коррозион­но-стойких сталей типа 18-8 (18% Сr и 8% Ni) возможно выпадение карбидов хрома по границам зерен при продолжительном пребы­вании металла в зоне температур 500--800° С и возникновение склонности к межкристаллитной коррозии. Для получения кор­розионно-стойких сварных соединений необходимо применять следующие меры:

· сваривать при малых погонных энергиях с теплоотводя-
щими медными подкладками и водяным охлаждением для ускоре­ния охлаждения и сокращения времени пребывания в зоне опас­ных температур;

· вводить в сталь и шов сильные карбидообразующие эле­менты (титан, ниобий) и снижать содержание углерода с целью исключения выпадения карбидов хрома;

· закаливать после сварки с 1050°С; при этом нагрев до вы­сокой температуры приводит к растворению карбидов хрома и по­лучению чисто аустенитной структуры; закалка фиксирует эту структуру в сварном соединении.

Повышение содержания хрома до 25% и никеля до 20% обеспе­чивает стойкость стали против коррозии в высокотемпературной га­зовой среде и концентрированных кислотах. При сварке аустенитных сталей этого типа металл шва склонен к образованию крупно­кристаллической первичной структуры и возникновению горячих трещин. Для уменьшения склонности к горячим трещинам необ­ходимо:

· применять специальную аустенитную сварочную проволоку и электроды, легированные марганцем (Св-30Х25Н16Г7 и др.);

· сваривать на небольших токах и пониженном напряжении для получения широких и выпуклых, а не вогнутых сварных швов.

Аустенитные хромоникелевые стали хорошо свариваются контактной сваркой. Точечную и шовную сварку проводят на пониженных плотностях тока, так как эти стали обладают высоким удельным сопротивлением и при повышенном давлении, вслед­ствие их значительной прочности при высоких температурах.

Сварка чугуна

Чугун относится к категории плохо свариваемых сплавов. Его сваривают для исправления дефектов в отливках и при ре­монте деталей, получивших трещины при эксплуатации. Дуговая сварка холодного металла чугунными электродами с покрытиями пе обеспечивает хорошего качества сварных соединений. Металл шва и переходной зоны получает отбеленную структуру, а около­шовная зона закаливается. Закалку и отбеленную структуру устраняют высокотемпературным продолжительным отжигом.

Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным подо­гревом свариваемых деталей до 400—700° С. Детали подогревают в нагревательных печах и горнах с применением древесного угля и воздушного дутья. Перед сваркой в деталях вырубают дефект­ные места и разделывают кромки, которые затем заформовывают с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Сваривают чугунными электродами (диаметром 8—25 мм) со стабилизирующей или специальной обмазкой. Ток выбирают, принимая 50—90 А на 1 мм диаметра электрода. Сваренные детали охлаждают вместе с печыо. При горячей сварке чугуна получают сварное соединение без твердых отбеленных и закаленных участ­ков. Однако горячая сварка — дорогой и трудоемкий процесс; ее применяют для ремонта уникальных деталей. Горячую сварку также выполняют науглероживающим газовым пламенем с флю­сом на основе буры.

При холодной сварке чугуна сваривают стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами и электродами из аустенитного чугуна. В случае применения стальных электродов валики наплавляют низкоуглеродистыми электродами со стаби­лизирующей или качественной обмазкой. Заготовку сваривают при малых погонных энергиях электродами небольшого диаметра. Наплавку выполняют многослойной. Применяют также стальные электроды с покрытием, содержащим большое количество карбидо-образующих элементов. Наплавленный металл имеет мягкую основу с вкрапленными карбидами. Эти способы не исключают образования отбеленных и закалочных структур в околошовной зоне, но они просты и обеспечивают мягкую хорошо обрабатывае­мую наплавку.

Для усиления связи между основным металлом и наплавкой иногда устанавливают шпильки, укрепляемые с помощью резьбы на поверхности свариваемых кромок. Процесс начинают с коль­цевой обварки шпилек, затем их соединяют общей наплавкой по всей поверхности кромок.

Медно-железные электроды состоят из медного прутка с оплет­кой из жести или пучка из медных и стальных стержней. Электроды имеют специальное или стабилизирующее покрытие. Медно-никелевые электроды состоят из стержней монель-металла (70% Ni, 28% Си и остальное Fe) или мельхиора (80% Си, 20% Ni) со стаби­лизирующей обмазкой. Применение медно-железных и медно-никелевых электродов позволяет получить наплавку, у которой отбеливание в переходной зоне наблюдается только на отдельных участках. Наибольшее применение имеют медно-железные элек­троды, как более дешевые и обеспечивающие достаточную проч­ность металла шва.

Сварка меди и ее сплавов

На свариваемость меди большое влияние оказывают содержа­щиеся в ней вредные примеси (кислорода, водорода, висмута, свинца). Кислород, находящийся в меди в виде закиси Сu2О, яв­ляется причиной образования горячих трещин. Закись меди обра­зует с медью легкоплавкую эвтектику (Сu2О — Сu) с температу­рой плавления 1064° С (для меди 1080° С), которая располагается по границам кристаллов сварного шва. В результате действия сварочных деформаций и напряжений шов может разрушаться по жидким прослойкам с образованием горячих трещин. Наличие сетки эвтектики по границам зерен делает шов хрупким и при комнатных температурах. Для расплавленной меди характерна высокая растворимость водорода, который при затвердевании сварочной ванны, интенсивно выделяясь, может вызвать пористость в случае относительно быстрого охлаждения и задержании процесса его выделения в атмосферу.

При единичном производстве изделий и ремонтных работ применяют газовую сварку меди ацетилено-кислородным пламенем повышенной мощности; для листов толщиной свыше 5 мм предварительный подогрев. Присадочным материалом служит медные прутки с небольшими добавками олова, цинка, иногда серебра для улучшения жидкотекучости, а также кремния и фос­фора как раскислителей. Сваривают с флюсами, в состав которых входят бура (Na2B4O7), борная кислота (Н3ВО3) и борный ангид­рид (В3О2). После сварки рекомендуется быстрое охлаждению деталей в воде и проковка или прокатка швов в холодном состоя­нии. Проковкой устраняют хрупкость, связанную с крупнозер­нистой структурой и сеткой закиси меди по границам кристаллов.

Получили развитие ручная и автоматическая дуговая сварки меди угольным и металлическим электродами. При ручной сварке угольным электродом применяют присадочные прутки из оловянистой или кремнистой бронзы и флюсы, основной частью кото­рых является бура. Сваривают длинной дугой на постоянном токе прямой полярности. Металлические электроды состоят и;) медного стержня, покрытого специальной обмазкой. Металличес­кими электродами сваривают короткой дугой на постоянном тока обратной полярности. Сварочный ток выбирают, принимая 50— 60 А на 1 мм диаметра электрода; при большой толщине свари­ваемые листы подогревают.

Автоматическую сварку угольным электродом ведут под слоем плавленого флюса, применяемого для низко углеродистых и леги­рованных сталей. Присадочный материал в виде полосы из латуни укладывают на свариваемый стык. Цинк, входящий в состав ла­туни, является раскислителем медного сварного шва. Автомати­ческую сварку металлическим электродом ведут медной проволо­кой под слоем плавленого флюса.

Рассмотренные виды дуговой сварки меди не обеспечивают механических и особенно специальных физических свойств свар­ного шва, близких к свойствам основного металла (электропро­водность и др.). Сварка металлическим электродом дает более высокое качество сварных соединений по сравнению со сваркой угольным электродом. Применение специальных керамических флюсов для автоматической сварки меди обеспечивает наряду с хорошим формированием сварного шва механические и физи­ческие свойства, близкие к требуемым.

Успешно применяют сварку меди в атмосфере защитных газов (аргоне, азоте или в их смесях). Сваривают вольфрамовым электро­дом на постоянном токе прямой полярности. В качестве присадоч­ного материала применяют прутки из меди, содержащие кремний, олово, марганец. Рекомендуется подогрев от 200 до 800° С.

Латуни являются сплавами меди, содержащими до 50% Zn. Основной трудностью при их сварке является испарение цинка. И результате испарения цинка латунный шов теряет свои свойства и в нем возможно возникновение пор. Пары цинка ядовиты, сварщики должны работать в специальных масках (респираторах).

Для сварки латуни применяют те же методы, что и для сварки миди, но используют приемы, уменьшающие испарение цинка. При газовой сварке латуни применяют газовый флюс. При этом способе в пламя горелки вместе с ацетиленом вводят пары боросодержащих жидкостей. Образующийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид связывает окислы цинка и образует сплош­ной слой шлака. Шлак препятствует выходу паров цинка из сва­рочной ванны. Возможна также газовая сварка латуни окисли­тельным пламенем, что приводит к появлению тугоплавкой пленки описи цинка на поверхности сварочной ванны, препятствующей иго испарению. Сваривают таким образом, чтобы эта пленка не разрушалась. Во всех случаях ядро пламени удаляют от свароч­ной ванны и направляют на присадочный пруток. Сваривают с большой скоростью.

При сварке угольной дугой присадочными материалами слу­жат кремнистые и марганцовистые бронзы или латунь с повышен­ным содержанием цинка. Дугу зажигают и поддерживают не на основном металле, а на конце присадочного прутка. Металличес­кими электродами со специальными покрытиями сваривают очень короткой дугой без колебаний конца электрода. Почти все методы сварки латуни не обеспечивают необходимого качества сварных швов. Исключение составляет газоэлектрическая и автоматичес­кая сварка под керамическим флюсом.

Латунь можно успешно сваривать контактной сваркой, так как электропроводность и теплопроводность латуни приблизи­тельно такие же, как и у низкоуглеродистой стали.

Большинство бронз является литейными материалами и сварку их применяют только для заварки дефектов или ремонта. Наиболее широко применяют дуговую сварку металлическим электродом. Электроды для Сварки бронз представляют собой стержень, состав которого близок к составу основного металла с нанесенным на него специальным покрытием. Оловянные бронзы рекомендуется сваривать быстро, чтобы не перегреть основной металл, в против­ном случае возможно выплавление легкоплавкой составляющей.