Термообработка после электрошлаковой сварки

Обновлено: 25.01.2025

Электрошлаковая сварка относится к термическому классу и является видом сварки плавления. Источник нагрева – теплота, выделяющаяся при прохождении энергоносителя в шлаковой ванне.

Рабочий процесс протекает в вертикальной плоскости и заключается в прохождении сварочной цепи электрического тока по электроду, основному металлу и жидкому шлаку. Происходит расплавление основного металла, присадочного материала за счет тепла от нагретой шлаковой ванны.

Классифицируют электрошлаковую сварку по виду, числу электродов и наличию колебаний электрода.

ГОСТы

Требования, технические условия, типы соединений и другая информация, относящаяся к электрошлаковой сварке, содержится в ГОСТах, обязательных для выполнения. Некоторые стандарты:

Процессы сварки: ГОСТ 30482-97 – правила технологического процесса проведения работ проволочным электродом или плавящимся мундштуком низколегированных и углеродистых сталей.
Сварочные материалы: ГОСТ 9087-81, ГОСТ 30756-2001 – технические условия на флюсы сварочные плавленые для электрошлаковой сварки и технологий.
Сварные соединения: ГОСТ 15164-78 – типы, элементы, размеры.

Где применяется

Основная область применения – тяжелое машиностроение.

соединение толстостенных листов и деталей (бронекорпусов кораблей, валов гидравлических турбин, станин мощных прессов и прокатных станов, брони танков, барабанов котлов высокого давления);
сварка металлов, имеющих разный химический состав;
сооружение кожухов домен;
производство сварно-кованых и сварно-литых конструкций;
изготовление металлургического оборудования, толстостенных цилиндров.

Метод также применяют для сварки металла небольшой толщины (14-30 мм), например, монтажных стыков корпусов судов на стапеле.

Способы сваривания

Методы электрошлаковой сварки зависят от типа применяемых электродов и подразделяются:

С помощью электродных проволок

Процесс выполняется с применением проволочного электрода с диаметром сечения 2-3 мм без поперечных колебаний.

Скорость подачи проволоки в шлаковую ванну должна быть постоянной. Метод применяется при сварке металла толщиной до 50 мм.

Для сваривания металла большей толщины используется несколько электродных проволок. Электроды перемещаются возвратно-поступательным способом в перпендикулярном направлении к продольной оси свариваемого шва.

Использование электродов большого сечения

Применяют стержни и пластины круглого, квадратного или другого сечения. Размеры и количество электродов зависят от размеров соединяемых деталей, формы и величины завариваемых отверстий и полостей.

Способ преимущественно используется при большой толщине свариваемых элементов и высоте шва до 1 м.

Пластинчатый электрод по мере его оплавления опускается в шлаковую ванну, глубина которой составляет 20-25 мм. Образование шва происходит в результате соединения расплавления основного металла с расплавленным материалом пластин.

Применение плавящегося мундштука

Метод соединяет в себе сварку электродными проволоками и электродов большого сечения. В зазор между соединяемыми деталями устанавливается неподвижно стальная пластина (мундштук). Она имеет трубки или пазы, через которые пропускаются электродные проволоки.

Мундштук в процессе сварки остается неподвижным. В шлаковую ванну подаются электродные проволоки, которые расплавляются и заполняют зазор между соединяемыми элементами. Одновременно с проволокой происходит оплавление той части мундштука, которая находится в шлаковой ванне.

Механизм электрошлаковой сварки

Размер мундштука и количество проволок выбираются в соответствии с размерами свариваемых деталей. Этот метод применяют при соединении элементов со сложным сечением и небольшой высотой швов. Плавящийся мундштук изготавливают с сечением такой же формы, как у соединяемых частей.

Технология сварки

Свариваемые детали устанавливают вертикально, оставляя достаточный зазор между кромками. Формирование металла шва происходит принудительно. В зону сварки подается проволочный электрод или стальная пластина (стержень) и флюс. Между проволокой и металлом в начале процесса горит дуга. После образования достаточного слоя жидкого флюса (шлаковой ванны) дуга гаснет, и прохождение электрического тока происходит только через флюс. Выделяющееся тепло способствует дальнейшему расплавлению флюса, проволочного электрода и кромок свариваемых материалов. Расплавленный металл образует сварочную ванну, стекая на дно шлаковой ванны.

Сварочная головка вместе с медными ползунами-кристаллизаторами перемещается по соединяемым деталям снизу вверх, удерживая их. Ползуны, формующие металл шва, охлаждаются через каналы, по которым циркулирует вода. Цель – обеспечение нормального формирования шва и предотвращение вытекания из плавильного пространства жидкого шлака и металла. По мере заполнения зазора пластины ползуна перемещаются вверх. Металл ванны охлаждается, происходит кристаллизация и образование сварного шва по всей высоте кромок соединяемых материалов.

Оборудование

Метод требует применения оборудования – сварочных аппаратов автоматического и полуавтоматического типа, станков и установок.

Электрошлаковая сварка в производстве конструкций

Большая ширина зоны термического влияния и усиленный рост зерна в этой зоне обусловливают снижение ударной вязкости сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой. Это обстоятельство, а также недостаток сведений об особенностях работы сварных соединений в различных условиях ограничивают область применения электрошлаковой сварки в тяжелом машиностроении, судостроении и некоторых других отраслях промышленности.

С целью повышения ударной вязкости сварных соединений металлоконструкции, используемые в машиностроении, подвергают термообработке, обычно нормализации с последующим отпуском.

Вместе с тем имеется положительный опыт эксплуатации сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой и не подвергавшихся последующей термообработке, т. е. с пониженной ударной вязкостью сварных соединений. Такие конструкции (элементы каркасов промышленных зданий, резервуары и т. д.) работают уже более 10 лет в различных условиях: при отрицательных (до - 40° С) температурах, при переменных нагрузках. Авторам не известны случаи разрушения сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой.

Это дает основание полагать, что ударная вязкость не может служить единственным и, возможно, главным показателем работоспособности конструкций, эксплуатируемых в условиях статических и повторно-статических нагрузок. Поэтому возникла потребность в дополнительных исследованиях в этой области. Равным образом необходимо исследовать особенности работы сварных конструкций при переменных нагрузках.

Сопротивление соединений хрупким разрушениям. Работоспособность сварных соединений при статических нагрузках изу

чают в нашей стране и за рубежом на крупномасштабных образцах. Для этого используют испытательные машины большой мощности. В сварных образцах для испытаний на сопротивление хрупким разрушениям на различных участках сварного соединения образуют искусственные трещиноподобные концентраторы напряжений.

Образцы изготовляют сериями - по числу видов термообработки, которой подвергают сварное соединение: нормализации с отпуском, высокому отпуску, без термообработки.

В результате испытаний определяют температуру, при которой разрушение происходит при напряжении ниже предела текучести основного металла, т. е. температуру перехода в хрупкое состояние. Такого рода испытания в наибольшей степени отражают реальные условия работы конструкций, и их результаты могут быть использованы непосредственно в инженерной практике.

Весьма показательные исследования прочности сварных электрошлаковых соединений проведены Е. Мрыкой в ПНР. Пластины размером 1000x500x40 мм из стали St-41 химического состава: 0,18% С; 0,74% Мп; 0,2% Si; 0,019% Р; 0,022% S; 0,07% Сг; 0,07% Ni; 0,09% Сu сваривали электрошлаковым способом (рис. 11.29, а). Механические свойства основного металла следующие: о_т = 241 МН/м 2 , о_в = 461 МН/м 2 , б₅ = 35,2%. Температура, при которой ударная вязкость по Шарпи становилась ниже 0,35 МДж/м 2 , составляла - 7° С.

Сваренные плиты разрезали поперек шва посредине и выполняли Х-образную разделку кромок. Затем с помощью ювелирной пилы толщиной 0,18 мм на одной из кромок наносили четыре надреза глубиной 5 мм, имитировавшие трещины. Надрезы были нанесены: на оси шва, выполненного электрошлаковым способом, на линии сплавления и на расстоянии 15 и 50 мм от линии сплавления. После этого сваривали шов (рис. 11.29, а) в разделку ручной дуговой сваркой электродами с руднокислым покрытием марки ЕА146 диаметром 4 и 5 мм. При этом надрезы были сохранены.

Одна партия образцов была подвергнута нормализации при температуре 900° С, другая - высокому отпуску при +630° С, третья термообработке не подвергалась.

Образцы были вварены в захваты испытательной машины с силовозбуждением 1600 т с тем, чтобы подвергнуть их растяжению в направлении, перпендикулярном электрошлаковому шву (обозначено стрелками на рис. 11.29, а). К образцам крепили контейнеры с сухим льдом для охлаждения до требуемой температуры. Целью испытаний было установить, какой из участков сварного соединения является наиболее склонным к хрупким разрушениям и при какой температуре происходит переход в хрупкое состояние. При испытании образцов фиксировали температуру, при которой возникала трещина, уровень номинальных напряжений и величину деформации, предшествующей разрыву образцов.

В результате испытаний установлено следующее. Три из четырех образцов, прошедших нормализацию, разрушались по оси шва и один - по основному металлу. В образцах после высокого отпуска наименее стойким против хрупкого разрушения оказался основной металл: лишь один из четырех образцов разрушился по шву, остальные - по основному металлу. В образцах, не подвергавшихся термообработке, наименее стойким против образования хрупких трещин оказался металл шва. В четырех из шести испытанных образцов трещины возникли и распространились вдоль оси шва, в одном - по линии сплавления и в одном - в основном металле.

Из 14 испытанных образцов в восьми трещины возникали в электрошлаковом шве, в пяти - в основном металле и только в одном случае разрушение произошло по линии сплавления в зоне крупного зерна. При температурах выше - 24° С во всех испытанных образцах трещины возникали после остаточных деформаций, превышающих 0,2%, и напряжениях выше предела текучести основного металла.

В температурной области от - 24° С до - 35° С трещины в образцах возникали при низком уровне напряжений без предшествующих разрыву пластических деформаций пластин в состоянии после сварки, а также в пластинах, прошедших высокий отпуск или нормализацию. Причем в последнем случае разрушения были как с предшествующей разрыву деформацией, так и без нее. При температуре - 35° С во всех образцах, в том числе прошедших нормализацию, возникали разрушения при напряжениях ниже предела текучести.

Эксперименты показали, что при статическом нагружении крупномасштабных образцов температура перехода в хрупкое состояние находится примерно на 20° С ниже, чем при испытании образцов на ударную вязкость. Нормализация несколько повышает сопротивляемость хрупкому разрушению, однако количественный ее показатель, выраженный температурой перехода в хрупкое состояние, не столь большой, как это ожидалось.

В целом автор приведенной работы полагает, что действительная стойкость против хрупкого разрушения сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой и не подвергавшихся последующей термообработке, существенно выше, чем это следует из испытаний на ударную вязкость.

В ИЭСим. Е.О.Патона было проведено испытание на стойкость против хрупких разрушений сварных соединений из стали, предназначенной для изготовления сосудов высокого давления и гидротехнических сооружений. Сталь разработана ЦНИИТмашем. Ее состав: 0,145% С; 0,34% Si; 1,05% Мп; 0,17% Сг; 0,5% Ni; 0,46% Мо; 0,07% V; 0,15% Сu; 0,02% Р; 0,015% S. Ее механические свойства: o_т = 328 МН/м 2 ; o_в = 495 МН/м 2 ; б₅ = 34,50; ф = 74%.

Пластины размером 400x160x30 мм сваривали короткими сторонами встык (рис. 11.29, б) аппаратом А-372р с применением проволоки Св-10Г2, d_e = 3 мм на режиме: U_c = 50 В; I_с = = 500 - 550 A; v_c = 2 м/ч; глубина шлаковой ванны 45-150 мм; сухой вылет электрода 190-200 мм. Для оценки стойкости сварных соединений против хрупкого разрушения выполняли искусственный надрез - концентратор напряжений 1 (рис. 11.29, б), по своей остроте близкий к непровару и расположенный в зоне крупного зерна (на участке перегрева). Для создания полей остаточных напряжений и образования термопластических деформаций, присущих сварным соединениям, с обеих сторон образца производили наплавку (рис. 11.29, б). Часть образцов подвергали высокому отпуску при температуре 650° С, другую часть - нормализации при 920° С, а затем высокому отпуску при 650° С. Образцы испытывали на статический разрыв при различных температурах.

Опыты показали, что нормализация существенно понижает критическую температуру хрупкости, при которой прочность падает ниже уровня предела текучести основного металла. Даже при температуре - 100° С прочность нормализованных образцов не имела тенденции к снижению, в то время как образцы, прошедшие только высокий отпуск, при температуре - 70° С разрушались хрупко при напряжениях ниже предела текучести. Характерно, что температура перехода в хрупкое состояние, определенная по показателю ударной вязкости (до 0,3 МДж/м 2 по Менаже) для сварных соединений этой стали равна - 30° С. В условиях статических нагрузок электрошлаковые сварные

соединения исследуемой стали, прошедшие только высокий отпуск, могут надежно работать при температуре до - 70° С.

На стойкость против хрупкого разрушения были испытаны также электрошлаковые сварные соединения из стали 12ХМ, широко используемой в химическом машиностроении. Ее химический состав: 0,12% С, 0,55% Мп, 0,33% Si, 1,08% Сг, 0,47% Мо, 0,017% S, 0,028% Р. Ее механические свойства: o_т = 520 МН/м 2 ; 0_В = 640 МН/м 2 ; б₅ = 19,2%; ф = 76%. Сварные стыковые соединения из листов толщиной 50 мм разрезали на образцы, показанные на рис. 11.29, в. В зоне перегрева наносили внутренние надрезы длиной 28 мм (рис. 11.29, б).

Было изготовлено три серии образцов. Образцы первой серии сваривали электрошлаковым способом и подвергали высокому отпуску при температуре 690° С с последующим охлаждением до 300° С в печи, а затем на воздухе. Образцы второй серии сваривали многослойной автоматической сваркой под флюсом и не подвергали термообработке. Образцы третьей серии выполняли электрошлаковой сваркой и подвергали нормализации при температуре 920° С с последующим высоким отпуском. Испытания образцов производили на 300-тонной разрывной машине в широком интервале низких температур (от -10 до -130° С). Было установлено, что критическая температура хрупкости, при которой напряжение разрушения снижается ниже уровня предела текучести основного металла, составляет для образцов первой серии -75° С, второй серии - 90° С, третьей - 80° С.

Таким образом, температуры перехода в хрупкое состояние сварных соединений из стали 12ХМ после различных видов термообработки расположены ниже природных температур. Это свидетельствует о надежности сварных соединений из этой стали, в том числе выполненных электрошлаковым способом и подвергнутых высокому отпуску.

Аналогичные исследования были проведены на образцах из стали марки 16ГС, полученных электрошлаковой сваркой (рис. 11.29, г). Механические свойства стали: о_т = 290 МН/м 2 , о_в = = 439 МН/м 2 . Сварку производили на различных режимах. Концентраторами напряжений служили острые наружные надрезы, расположенные на оси металла шва и на участке крупного зерна околошовной зоны. После сварки все образцы подвергали высокому отпуску при температуре 650° С (выдержка в печи 2 ч, охлаждение с печью до 300° С, затем охлаждение на воздухе). Образцы подвергали статическому растяжению на разрывной машине с силовозбуждением 300 тс при температуре - 60° С.

Напряжения разрушения в значительной степени зависят от режима сварки. Приведены режимы сварки, при которых эти напряжения значительно превосходят предел текучести металла. Ударная вязкость зоны крупного зерна при отрицательной

температуре весьма низка. Исследователи пришли к выводу, что путем подбора оптимального режима сварки можно обеспечить надежную работу при статической нагрузке и отрицательных температурах сварных конструкций, не прошедших печную нормализацию.

Таким образом, исследования статической прочности сварных соединений на крупномасштабных образцах при пониженных температурах показали, что несмотря на пониженные значения ударной вязкости участка перегрева зоны термического влияния, сварные конструкции, выполненные с применением электрошлаковой сварки и подвергшиеся высокому отпуску, могут надежно работать при отрицательных температурах. Положительный опыт эксплуатации большого количества сварных конструкций из различных сталей, сваренных электрошлаковой сваркой, прошедших только высокий отпуск, подтверждают справедливость этого вывода. При оценке надежности этих соединений нельзя, по-видимому, основываться только на результатах ударных испытаний малых стандартных образцов.

Сопротивление соединений переменным нагрузкам. Большинство сварных конструкций, выполненных электрошлаковым способом, испытывает переменные нагрузки. Поэтому изучение усталостной прочности сварных соединений имеет первостепенное значение. На переменный изгиб испытывали крупномасштабные образцы из литых, прокатных и кованых заготовок углеродистых и низколегированных сталей. Усиления сварных швов на всех образцах, так же как и на изделиях, снимали заподлицо с основным металлом. Часть образцов перед испытанием подвергали нормализации с последующим высоким отпуском, а часть - только высокому отпуску. Некоторые образцы испытывали в состоянии после сварки. Испытания проводили, как правило, до момента полного разрушения образца. Установленные таким образом пределы выносливости сварных соединений сопоставляли с таковыми для основного металла.

И. В. Кудрявцев и Н. Е. Наумченко в ЦНИИТмаше провели исследования усталостной прочности сварных соединений из стали 35Л. Электрошлаковую сварку литых заготовок плит толщиной 330 мм осуществляли на переменном токе электродной проволокой марки 10Г2, d_e = 3 мм с применением флюса АН-8. Схема вырезки образцов показана на рис. 11.30. Литую сталь подвергали нормализации при температуре 870-900° С с последующим отпуском при температуре 600-680° С. Сварные плиты после электрошлаковой сварки оставляли без термообработки или подвергали термообработке по тому же режиму. Испытание выполняли на машине У-200 конструкции ДНИИТмаш, в которой образец совершал изгибные колебания, не подвергаясь вращению, а вектор нагрузки вращался относительно оси образца. База ис

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

пытаний составляла 10 млн. циклов нагружений. Нижняя граница рассеяний предела выносливости на образцах из литой стали без сварки оказалась 75 МН/м 2 . Предел выносливости для сварных соединений без термообработки после сварки и с термообработкой не удалось определить, так как разрушение всех образцов происходило только по основному металлу, а металл шва не повреждался. Таким образом, сопротивление переменным нагрузкам сварных соединений из стали 35Л оказалось значительно выше, чем основного металла.

Под руководством И. В. Кудрявцева были проведены исследования усталостной прочности сварных электрошлаковых соединений из низколегированных сталей 40ХН, 34ХМ, 15ГНЧМ и 20ГСЛ (табл. 11.7).

Основной металл и сварные соединения подвергали нормализации с высоким отпуском. Образцы для испытания на переменный

изгиб выполняли в виде призматических пластин сечением 75 X Х50 мм. Испытания проводили при переменном изгибе образца в одной плоскости по симметричному циклу на машинах резонансного типа УП-50 конструкции ЦНИИТмаш. База испытаний 10 млн. циклов нагружений. Испытание проводили до момента образования видимой невооруженным глазом усталостной трещины. Результаты этих испытаний, приведенные в табл. 11.8, показывают, что пределы выносливости сварных соединений практически равны пределу выносливости основного металла. Дефекты сварных швов существенно снижают сопротивляемость соединений переменным нагрузкам.

Были проведены исследования сопротивляемости воздействию переменных нагрузок на сварные соединения и основной металл судостроительной стали 08ГДНФЛ. Эту сталь используют для изготовления баллеров рулей и других крупных сварных деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Сталь после литья подвергали двойной нормализации с высоким отпуском. Усталостным испытаниям были подвергнуты четыре серии образцов (по семь-восемь образцов в каждой серии): из основного металла, из сварного соединения, выполненного сварочной проволокой Св-10Г2 диаметром 3 мм (без термообработки после сварки), и из сварного соединения, выполненного проволокой диаметром 4 мм (в исходном состоянии, после сварки, и после термообработки). Сварку выполняли на аппарате А-372М под флюсом АН-22 с применением электродной проволоки Св-10Г2, d_e = 3 мм на режиме: I_с = 600-650 A; U_c = 45 В при зазоре 30 мм. Из заготовок вырезали образцы для испытаний и обрабатывали до размера рабочего сечения 50x34 мм (рис. 11.31). Их подвергали чистому изгибу по симметричному циклу на испытательной машине конструкции Ленинградского кораблестроительного института. За базу испытаний принято 2 . 10 6 циклов нагружений. Результаты испытаний приведены в табл. 11.9.

Установленные пределы выносливости отражают, по-видимому, только свойства основного металла, поскольку в подавляющем большинстве разрушение сварных образцов происходило вдали от шва. Проведенные опыты подтвердили, что предел выносливости бездефектных сварных соединений на литой стали 08ГДНФЛ не ниже предела выносливости основного металла. Авторы пришли также к выводу о том, что отсутствие термообработки не повлияло на сопротивление переменным нагрузкам гладких образцов из сварных соединений.

Таким образом, электрошлаковые бездефектные соединения со снятым усилением шва, прошедшие высокий отпуск, работают весьма надежно в условиях переменных нагрузок. Опыт многолетней эксплуатации большого числа ответственных сварных конструкций подтверждает этот вывод.

Вместе с тем установлено, что различные дефекты сварных швов существенно снижают предел выносливости сварных соединений. Поэтому получение бездефектных швов является основным условием надежной работы конструкций, испытывающих переменные нагрузки.

11.9. организация производства, техника безопасности и гигиена труда

Правильная организация производства при изготовлении сварных конструкций с использованием электрошлакового процесса - мощный резерв повышения производительности труда и улучшения качества продукции.

Совершенствование технологии и техники электрошлаковой сварки и наплавки обеспечивает повышение качества сварного соединения. Однако для достижения полного экономического эффекта от применения электрошлаковой сварки этого недостаточно, так как совершенный прием в сварке еще не обеспечивает

достижения наивысшей производительности, труда. Известно, что это возможно только при комплексной механизации и автоматизации всех работ, в том числе вспомогательных операций. Немаловажное значение имеет научная организация труда.

Обобщение опыта применения электрошлаковой сварки показывает, что при правильной организации производства многие заводы тяжелого и энергетического машиностроения добиваются высокой экономической эффективности.

Наряду с общими требованиями к организации труда электрошлаковая сварка выдвигает ряд специфических требований, связанных с особенностями этого процесса. Прежде всего это касается необходимости осуществления электрошлаковой сварки без вынужденных остановок в течение весьма длительного времени (до 30 ч). Необходимо принимать во внимание, что машинное время сварки составляет чаще всего 15-30% общего времени сборки и сварки. Следовательно, возможности автоматизации и механизации не только сварочных, но и подготовительных и сборочных работ велики.

Электрошлаковую сварку и наплавку используют чаще всего в сфере мелкосерийного и даже единичного производства. С помощью электрошлакового процесса сваривают самые разнообразные изделия. Все это чрезвычайно затрудняет создание единой и стройной системы организации производства при использовании электрошлаковой сварки.

Ниже изложены некоторые рекомендации по рациональной организации труда на участках и рабочих местах. В отечественном сварочном производстве нет специальных цехов по производству сварных конструкций с применением только электрошлаковой сварки.

При организации участка для электрошлаковой сварки, оборудованного соответствующими сварочными установками или аппаратами, источниками питания, технологической оснасткой и приспособлениями, следует придерживаться следующих общих правил.

Участок должен быть расположен в непосредственной близости от термических печей или устройств для местной термообработки. Желательно, чтобы они находились в соседних пролетах того же цеха.

Установки на участке должны быть расположены в торце пролета либо около цеховых колонн. Это требование обусловлено необходимостью исключить транспортировку грузов цеховыми кранами над установкой или аппаратом во время их работы.

На участке должны быть расположены посты ручной дуговой сварки и газовой резки, станок для очистки и намотки сварочной проволоки, распределительное устройство водоснабжения и слив отработанной воды, устройство для стыковки сварочной

Высокопрочные стали и особенности их сварки

Стали с пределом прочности свыше 1500 МПа называются высокопрочными. Такой предел достигается подбором химического состава и наиболее подходящей термической обработкой. Данный уровень прочности может образовываться в среднеуглеродистых легированных сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) путем использования закалки с низким отпуском (при 200…250оС). Легирование таких сталей W, Mo, V затрудняет разупрочняющие процессы, что снижает порог хладоломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Как варить металл, если перед вами высокопрочная сталь? Сварка высокопрочных сталей отличается использованием некоторых дополнительных технологических приемов (сварка каскадом, горкой, секциями, предварительный подогрев, применение мягкой прослойки и других).

Закаленные стали (структура)

Изотермическая закалка среднеуглеродистых легированных сталей придает им немного меньшую прочность, но большую вязкость и пластичность. Поэтому они более надежны в эксплуатации, чем низкоотпущенные и закаленные. Низкоотпущенные и закаленные среднеуглеродистые стали с высоким уровнем прочности обладают повышенной восприимчивостью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению. Из-за этого их рекомендуют использовать для работы, связанной с плавным нагружением.

К высокопрочным сталям можно отнести так называемые рессорные (пружинные) стали. Они содержат 0,5…0,75% С и дополнительно легируются другими элементами. Термообработка легированных рессорных сталей (закалка 850…880оС, отпуск 380…550оС) обеспечивает получение высокой прочности и текучести. Может применяться изотермическая закалка. Сварка рессорной стали выполняется с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварочных работ и дальнейшей термической обработкой.

Мартенситно-стареющие стали (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) также относятся к высокопрочным сталям. Они превосходят среднеуглеродистые легированные стали по конструкционной прочности и технологичности. Для таких сталей характерны высокое сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладоломкости и малая чувствительность к надрезам при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали являются безуглеродистыми сплавами железа с никелем и дополнительно легированы молибденом, кобальтом, алюминием, хромом, титаном и другими элементами. Эти стали имеют высокую конструкционную прочность в диапазоне температур от криогенных до 500оС и применяются в изготовлении стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов ракетных двигателей, зубчатых колес, шпинделей и так далее.

Свариваемость высокопрочных сплавов

Для изготовления тяжело нагруженных машиностроительных изделий,сосудов высокого давления и других ответственных конструкций используют среднеуглеродистые высокопрочные стали, которые после соответствующей термообработки обладают прочностью 1000…2000 МПа при достаточно высоком уровне пластичности. Необходимый уровень прочности при сохранении высокой пластичности достигается комплексным легированием стали различными элементами, главные из которых никель, хром, молибден и другие. Эти элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали. Подогрев изделия при сварочных работах не снижает скорости охлаждения металла до значений, меньших критических, и способствует росту зерна, что приводит к возникновению холодных трещин и вызывает уменьшение деформационной способности.

Поэтому такие металлы сваривают без предварительного подогрева, но с применением специальных приемов сварочных работ (блоками, каскадом, короткими или средней длины участками). Также применяют специальные устройства, которые подогревают выполненный шов и тем самым увеличивающие время пребывания его в определенном температурном интервале. Для увеличения времени нахождения металла околошовной зоны при температуре выше точки образования мартенситной структуры накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого находятся в пределах металла шва.

Во избежание трещин при охлаждении сварного соединения, необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечили бы получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это достигается, когда наплавленный металл и металл шва будут менее легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять как бы мягкую прослойку с временным сопротивлением, но с повышенной деформационной способностью. Чтобы обеспечивалась технологическая прочность сварных швов, выполненных низколегированными сварочными материалами, углерод в шве должен содержаться в количестве не более 0,15%.

Когда производится сварка закаленной стали, то после прохождения сварочной дуги на зону сварного соединения рекомендуется подавать охладитель. Это делается для уменьшения степени разупрочнения околошовной зоны. В качестве охладителя может служить душевая вода, сжатый воздух или паровоздушная смесь — в зависимости от состава свариваемого материала. Такое охлаждение снижает время нахождения металла в зоне высоких температур.

Художественная ковка — это настоящее искусство. Более подробную информацию об этом занимательном занятии читайте в нашей статье.

Технология сварочных работ по соединению высокопрочных сталей

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно подбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов с высокой деформационной способностью при минимальном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, которые не содержат в покрытии органические вещества и подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды). При этом нужно исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом в ходе сварки (ржавчина, влага и другие). Высокая технологическая прочность получается при следующем содержании легирующих элементов в металле шва: С — не более 0,15%; Si — не более 0,5%; Ni — не более 2,5%; Mn — не более 1,5%; Cr — не более 1,5%; V — не более 0,5%; Mo — не более 1,0%.

Повышение свойств шва до нужного уровня возможно путем легирования металла шва за счет основного металла. Необходимые прочностные характеристики металла шва достигаются легированием его элементами, которые повышают прочность, но не снижают его ударную вязкость и деформационную способность. Для сварки среднеуглеродистых высокопрочных сталей нужно выбирать сварочные материалы, содержащие легирующих элементов меньше, чем основной металл.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и других по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75. Если сталь перед сваркой подвергалась термической обработке на высокую прочность (закалка с отпуском или нормализация), а после сварки — отпуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения, то критерием определения температуры предварительного подогрева будет такая скорость охлаждения, при которой происходила бы частичная закалка околошовной зоны. При этом гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения дальнейшей термообработки.

Для улучшения свариваемости закаленных металлов необходимы специальные электроды

В том случае когда термообработка сварного изделия не может быть сделана, например, из-за крупных габаритов, на кромки детали, подлежащие сварке, наплавляют незакаливающийся слой металла аустенитными или низкоуглеродистыми электродами. Толщина этого слоя должна быть такой, чтобы температура стали под слоем в процессе сварки не превышала бы температуру отпуска при термообработке деталей с наплавленными кромками. Такие детали сваривают аустенитными или низкоуглеродистыми и низководородистыми электродами без подогрева и дальнейшей термообработки. Режим сварки принимают согласно рекомендациям для аустенитных электродов.

Сварочные работы в защитных газах

Высокое качество сварных соединений из среднеуглеродистых высокопрочных сталей толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. Присадочный материал для дуговой сварки в защитных газах следует выбирать в зависимости от газа, в среде которого происходит сварка. Первый слой выполняют без присадки с полным проваром кромок стыка, второй — с поперечными низкочастотными колебаниями электрода и механической подачи присадочной проволоки. Возможно и выполнение третьего слоя с поперечными колебаниями электрода без присадочной проволоки на небольшом режиме для обеспечения постепенного перехода от шва к основному металлу.

Для повышения проплавляющей способности дуги при аргонодуговой сварке применяют активирующие флюсы, которые позволяют исключить разделку кромок при толщинах 8…10 мм. Также используется флюс, представляющий собой смесь компонентов (TiO2, SiO2, NaF, Cr2O3). Такой метод с активирующим флюсом эффективен при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при таком способе сварки выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок вольфрама.

Современная аргоновая горелка

При выполнении сварки среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в основном инертных или их смесях с активными) применяют низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколегированные проволоки, например, Св-08Х20Н9Г7ТТ, Св-03ХГН3МД, Св-10ХГСН2МТ, Св-10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6. Однако равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. В данном случае можно обеспечить равнопрочность за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. Этот эффект может быть реализован при использовании так называемой щелевой разделки, которая представляет собой стыковые соединения с узким зазором.

Сварка под флюсом

Конструктивные элементы подготовки кромок для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом выполняют в соответствии с ГОСТ 8713-79. Однако в диапазоне толщин, для которого возможна сварка без разделки и со скосом кромок, последней следует отдать предпочтение. При механизированной сварке под флюсом необходимы подготовка кромок, техника и режимы сварки, при которых доля основного металла в шве была бы минимальной. Но такая методика повышает вероятность образования в сварочных швах горячих трещин.

Выбор флюса осуществляется в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки сварку выполняют под кислыми высоко- и среднемарганцовистыми флюсами. При использовании низколегированных проволок лучшие результаты обеспечивает применение низкокремнистых и низкомарганцовистых флюсов. Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенитной проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т производят только под безокислительными или слабо окислительными основными флюсами.

Электрошлаковая сварка

Схема процесса сварочных работ

Данный вид сварочных работ рационально применять для соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Основные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов при этом должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164-78. Электродные проволоки при сварке плавящимся мундштуком и проволочными электродами выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70. Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до 150…200оС.

Низкая скорость охлаждения околошовной зоны при электрошлаковой сварке приводит к длительному пребыванию ее в зоне высоких температур, вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. В связи с этим после электрошлаковой сварки среднелегированных высокопрочных сталей необходимо выполнить высокотемпературную термообработку сварных изделий для восстановления механических свойств до нужного уровня. Время с момента окончания сварки до проведения термообработки должно регламентироваться.

Читайте также: