Структурные превращения в зоне термического влияния и металле шва при газовой сварке

Сварное соединение можно разделить на три основ­ные зоны, имеющие различную микроструктуру: зону основного металла, зону термического влияния и зону наплавленного металла сварного шва. При газовой свар­ке, вследствие более медленного нагрева, зона термиче­ского влияния (околошовная зона) больше, чем при ду­говой. Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, вызванных температурой нагрева в пределах 450—1500°С и отличающихся между собой формой и строением зерна.

Зона термического влияния (ЗТВ) (см. рисунок 2) состоит из сле­дующих участков: 1 — неполного расплавления, 2 —пе­регрева, 3 — нормализации, 4 — неполной перекристал­лизации, 5 — рекристаллизации и 6 — синеломкости.

Участок неполного расплавления явля­ется переходным от наплавленного металла к основному. Он представляет собой область основного металла, на­гретого несколько выше температуры плавления, и нахо­дится в твердожидком состоянии. Характер этого участ­ка определяет качество сварного соединения, так как в нем происходит сплавление кристаллов металла шва с зернами основного металла.

Участок перегрева — область основного, сильно нагретого (от 1100 до 1500°С) металла с крупнозернис­тым строением и пониженными механическими свойства­ми. Металл в этой зоне имеет структуру крупных пер­литных зерен с ферритной сеткой. В сталях с большим содержанием углерода на участке перегрева возможно образование закалочных структур.

Участок нормализации — это область основ­ного металла, нагретого в пределах от 930 до 1100°С. Металл при этих температурах находится сравнительно недолго и в процессе охлаждения при последующей пе­рекристаллизации приобретает мелкозернистую струк­туру с наиболее высокими механическими свойствами.

Участок неполной перекристаллиза­ции — область основного металла, нагретого в пределах 720—930°С. Этот участок характеризуется неполной пе­рекристаллизацией, при которой вокруг крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, распола­гаются мелкие зерна феррита и перлита, образовавшие­ся в результате перекристаллизации.

Участок рекристаллизации — область основ­ного металла, нагретого в пределах от 450 до 720°С. Участок характерен восстановлением формы и размеров разрушенных зерен металла, ранее подверженного про­катке или обработке давлением.

 

Рисунок 2. Строение ЗТВ сварного соединения из малоуглеродистой стали

Участок синеломкости, лежащий в интервале температур от 200 до 450°С, видимых структурных изме­нений не получает. Однако характеризуется снижением пластических свойств.

Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке в зависимости от толщины металла составляет примерно от 8 до 28 мм. Для улучшения структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния, вы­полненных газовой сваркой, применяют горячую проков­ку металла шва, термообработку нагревом сварочной горелкой и общую термообработку сварного изделия на­гревом в печах и медленным охлаждением.

 

 

Тепловое взаимодействие пламени с металлом

При газовой сварке не вся тепловая мощность свароч­ного пламени идет на плавление основного и присадоч­ного металла, часть тепла рассеивается в окружающее пространство. Сварочное пламя, соприкасаясь с участком поверхности свариваемого металла, нагревает этот учас­ток, который называется пятном нагрева. Характер рас­пределения теплового потока пламени зависит от угла наклона газового пламени к поверхности свариваемого металла, расстояния от конца мундштука до пятна на­грева, скорости истечения горючей смеси и скорости сварки.

Эффективная тепловая мощность сварочного пламе­ни — это количество тепла, вводимое сварочным пламе­нем в металл за единицу времени. На эффективную теп­ловую мощность сварочного пламени в наибольшей сте­пени влияет расход горючего газа, применяемого для сварки.

Эффективный коэффициент полезного действия — это отношение эффективной мощности сварочного пламени к его полной мощности:

= ,

где - эффективный коэффициент полезного дейст­вия сварочного пламени;

- эффективная тепловая мощность сварочного пламени;

- полная тепловая мощность сварочного пламени, соответствующая низшей теплотворной способности горючего.

Повысить эффективную тепловую мощность можно увеличением количества кислорода в горючей смеси. Однако, в результате этого действия пламя становится окис­лительным, а окислительное пламя нельзя применять при всех видах газопламенной обработки. Другой способ по­вышения тепловой эффективности пламени — разделение потока горючей смеси на несколько отдельных потоков.

Чем выше температура пламени, тем больше его эф­фективная тепловая мощность. Температура пламени зависит от рода горючего, наибольшую температуру да­ет сгорание ацетилена в кислороде. Повысить температу­ру пламени газов-заменителей ацетилена можно добав­кой к пропану или метану ацетилена в количестве свыше 30%.

 

 

Сварка легированных сталей

Большинство конструкционных легированных сталей сваривается газовой сваркой удовлетворительно. Сварка этих сталей имеет ряд особенностей, так как происходит частичное выгорание легирующих примесей, вследствие чего металл шва теряет свойства стали данной марк и. Легированные стали хуже проводят тепло, чем низкоуглеродистая сталь, и поэтому больше коробятся на воздухе, особенно в прилегающих к шву участках, и склонны к образованию трещин.

Низколегированные стали для строительных конструкций (например, 15ХСНД и 10ХСНД) хорошо свариваются газовой сваркой. Мощность наконечника выбирают 75-100 дм³/ч при левой и 100-130 дм³/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. При сварке применяют нормальное пламя и проволоку Св-08, Св-08А или Св-10Г2 по ГОСТ 2246-60. Для улучшения качества наплавленного металла целесообразно проковывать шов светло-красном калении (800-850 ⁰С) с последующей нормализацией металла шва. Флюс не применяют.

Низколегированные молибденовые и хромомолибденовые теплоустойчивые стали для котлостроения. Газовая сварка этих сталей может использоваться при монтаже и ремонте паровых котлов и трубопроводов.

Пламя применяют только нормальное, мощностью 100 дм³/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. При сварке применяют проволоку марок Св-08ХНМ, Св-10НМ, Св-18ХМА, Св-10ХМ, Св-10МХ по ГОСТ 2246-60. Сварку ведут небольшими участками длиной по 15-25 мм, поддерживая весь свариваемый участок при температуре светлокрасного каления.

При толщине металла свыше 16 мм все изделия необходимо подвергать предварительному равномерному подогреву до 250-350 ⁰С, сохраняя эту температуру постоянной в процессе сварки. Для этого изделие во время сварки подогревают вспомогательными горелками или другими способами.

При окружающей температуре минус 10 ⁰С сварку сталей 15М и 20М толщиной 10 мм можно вести без предварительного подогрева, а при большей толщине – с подогревом до 250-350 ⁰С. Хромомолибденовые стали 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ при минус 10⁰С сваривают с подогревом до 250-300⁰С, независимо от толщины металла.

Кромки перед сваркой зачищают до металлического блеска. При толщине металла до 5 мм сварку ведут в один слой, при большей толщине применяют многослойную сварку. Вначале «пролуживают» кромки, для чего кромки в вершине шва расплавляют и сваривают без добавления присадочного металла с целью получения полного провара вершины шва. Длина пролуженного участка не должна превышать 15-25 мм, так как при большей длине в данном месте возможно появление незаметной трещины, которая может остаться в шве. Для уменьшения выгорания хрома и молибдена металл сварочной ванны нужно поддерживать в возможно более густом состоянии, не перегревая его.

Сварку ведут с наименьшим числом перерывов. При возобновлении сварки после перерыва необходимо равномерно подогреть шов в данном месте (при сварке труб – вес стык) до 250-300 ⁰С с целью предупреждения появлении трещин. Усиление шва располагают симметрично к оси шва обеспечивая плавный переход от наплавленного металла основному.

Полной термообработке (нормализации) подлежат барабаны и деталь котлов при толщине металла свыше 10 мм 950 ⁰С для хромомолибденовой стали. Выдержки при этой температуре из расчета 1-1,5 мин на 1 мм толщины металла и охлаждения спокойном воздухе до 300⁰С.

При сварке труб и сварке на монтаже допускается также местная термообработка в виде отжига. Местной термообработке подвергаются все сварные соединения паропроводных и коллекторных труб. Дли молибденовых и хромомолибденовых сталей нагрев при отжиге производится до 680-700 ⁰С (для хромомолибденованадиевых -720-740 ⁰С) с выдержкой 4-5 мин на 1 мм толщины металла и медленным охлаждением до 250-300 ⁰С. Для хромомолибденовых сталей местная термообработка производится индукционными нагревателями, кольцевыми газовыми горелками и муфельными электропечами сопротивления. Сварное соединение должно быть нагрето по всему периметру на ширине не менее 100 мм в обе стороны от шва.

Низколегированные хромокремнемарганцовые стали (хромансиль). При газовой сварке этих сталей содержащиеся в них марганец, хром и кремний частично выгорают, что вызывает появление в шве включений окислов, шлаков и непровара. Для предупреждения этого сварку ведут нормальным пламенем, наконечником мощностью 75-100 дм³\ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Окислительное пламя вредно, так как увеличивает выгорание хрома, кремния и марганца. Применяют или низкоуглеродистую проволоку Св-08 и Св-08А или легированную Св-18ХГСА и Св-18ХМА.

Сварку ведут в один слой. Перед сваркой листы предварительно прихватывают через 20-30 мм при толщине листов от 0,5-1,5 мм и через 40-60 мм при толщине 2 мм и более. Прихватки располагают на расстоянии 10-15 мм от края листа или угла сварного соединения. Большое значение для качества шва при сварке это стали имеют тщательная очистка и подгонка кромок, а также точное соблюдение зазора между ними, который должен быть одинаков по всей длине шва. Эти стали при резком охлаждении склонны к образованию трещин в шве и около него. Поэтому по окончании сварки горелку нужно отводить медленно, одновременно подогревая факелом пламени металл конечного участка, на площади радиусом 20-40мм. Сварку нужно производить возможно быстрее, без перерывов, не задерживая пламя на одном месте. Для уменьшения коробления прихватку и сварку ведут от середины шва к его концам.

Закалку производят нагревом вначале до 500-650 ⁰С с выдержкой при этой температуре из расчета 1,5 мин на 1 мм толщины (но не менее 5 мин) и последующим нагревом до 880 ⁰С с той же выдержкой. После этого деталь охлождабт в масле температуры 20-50 ⁰С или сначала в горячем масле (190 ⁰С), а потом в масле температуры 20 ⁰С

Отпуск состоит в нагреве до 400-600 ⁰С с последующим охлаждением в горячей воде (60 ⁰С). Чем ниже температура отпуска, тем выше прочность, но меньше пластичность металла шва.

Сварка хромистых сталей

Могут содержать от 4% до 30% хрома. Сварка хромистых сталей сопряжена с рядом трудностей, так как они склонны к сильному короблению и закалке в момент остывания шва, что вызывает образование трещин. Чем выше содержание углерода в хромистой стали, тем хуже она сваривается.

Сварку хромистых сталей ведут нормальным пламенем, наконечником мощностью не более 70 дм³/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. При сварке применяют проволоку из хромоникелевой стали Св-02Х19Н9. Лучшие результаты получают при сварке проволокой Св-06Х19Н9Т (с титаном). Титан и ниобий препятствуют образованию в шве твердых химических соединений хрома с углеродом (карбидов хрома).

Сварку нужно вести возможно быстрее, стремясь не допускать перерывов и повторных нагревов шва. Во избежание образования трещин следует применять одностороннюю, однослойную сварку.

При сварке применяют флюс, предохраняющий хром от выгорания и способствующий удалению их шва окислов хрома. Состав флюса: борной кислоты 55%; окиси кремния 10%;ферромарганца 10%; феррохрома 10%; ферротитана 5%; титановой руды (концентрата) 5% и плавикового шпата 5%. Перед сваркой кромки зачищают до металлического блеска. Хромистые стали, содержащие свыше 14% хрома, сваривают с предварительным подогревом до 200-250 ⁰С, а после сварки подвергают термической обработке по режиму, предусмотренному для стали данной марки,

Высокохромистые кислотостойкие стали при длительном нагреве с клонны к росту зерна в зоне нагрева, что снижает их прочность. Поэтому газовой сваркой эти стали не сваривают.

14.Хромоникелевые нержавеющие аустенитные стали. Сваривают нормальным пламенем мощностью 75 дм³/ч ацетилена на 1 мм толщины металла. Окислительное пламя не допускается. Применяют проволоку Св-02Х19Н9, Св-06Х19Н9Т или Св-08Х19Н10Б. При сварке жаропрочной нержавеющей стали применяют проволоку. Содержащую 21% никеля и 25% хрома. Для сварки коррозионностойкой стали, содержащей молибден, применяют проволоку, содержащую 3% молибден, 11% никеля и 17% хрома.

Основное затруднение при сварке этих сталей состоит в том, что при нагреве 400-900 С происходит выделение карбидов хрома по границам зерен стали, вследствие чего сталь теряет устойчивость против коррозии. Титан или ниобий связывают углерод и препятствуют образовованию карбидов хрома. Максимально допустимое содержание ниобия – 1.2%

Сварку нержавеющих сталей нужно вести быстро, держа конец проволоки все время в сварочной ванне. Для лучшего отвода тепла можно сваривать на подкладке из меди.

После сварки деталь подвергают термообработке (закалке) нагревом до 1050-1100 С и быстрым охлаждением в воде. Закалка может быть заменена о тжигом при 850 С с охлаждением на воздухе. При этом выделившиеся карбиды хрома снова растворяются в сплаве и шов приобретает свойства основного металла. Металл толщиной 1-2 мм можно охлаждать на воздухе. Сталь с добавкой титана можно не подвергать термообработке после сварки.

Для улучшения внешнего вида шва и удаления окислов хрома применяют флюс состава: плавикового шпата 80% и ферротитана 20%. В качестве флюса пригодна также смесь состава: бура 5% и борной кислоты 50% или буры 80% и двуокиси кремния 20%. Флюс наносят на кромки за 15-20 мин до сварки, а после сварки удаляют промывкой в горячей воде или кипячением в 5%-ном растворе NaOH.

Хромоникелевые стали целесообразнее, сваривать дуговой, в защитных газах или контактной электросваркой. Газовой сваркой сваривают нержавеющую сталь толщиной не более 3 мм, так как при большей толщине стали ее деформации достигают значительной величины.