Сварка углеродистой стали

На свариваемость сталей решающим образом влияют их химический состав. физические свойства и термическая обработка перед сваркой.

Углерод сильно влияет на качество сварного шва. Повышение содержания углерода сказывается на прочности, твердости и вязкости шва. С увеличением содержания углерода в стали сверх 0,3% повышается самозакаливаемость переходной зоны основного металла, и сталь становится более хрупкой. При газовой сварке влияние углерода проявляется значительно меньше, чем при дуговой.

Углеродистые конструкционные стали хорошо свариваются любым способом при содержании до 0.25 % С н удовлетворительно при содержании до 0.55% C. Для получения высокого качества сварных швов при электродуговой и газовой сварке этих сталей надо правильно выбирать режим сварки и обеспечивать надежную защиту наплавленного металла от воздействия воздуха.

Конструкционные стали при содержании углерода свыше 0.35% склонны к образованию закалочных трещин при сварке, требуют подогрева и последующей термической обработки. Применение присадочного металла с низким содержанием углерода позволяет избежать закалки шва; прочность шва можно обеспечить легированием металла навариваемого шва марганцем, кремнием и другими элементами в необходимых количествах. Фосфор при содержании более 0.04% повышает хрупкость сварного шва. Сера отрицательно влияет на свариваемость стали, вызывая красноломкость металла вследствие образования легкоплавкой эвтектики` которая располагается между зернами. С увеличением содержания серы (более 0.04%) наблюдается образование трещин особенно при газовой сварке.

Низкоуглеродистые стали сваривают покрытыми электродами при толщине металла от 2 до 40 мм стыковым и угловыми способами сварки. Автоматическую сварку целесообразно применять при Толщине от 2 до 50 мм для стыковых и угловых швов преимущественно большой протяженности. При толщине стали от 3 до 10 мм целесообразно применять сварку в защитных газах. При толщине металла от 20 до 1000 мм применяют злектрошлаковую сварку. Контактная сварка применяется для тонких листов от 0.001 до 5 мм.

Сварка легированной стали. При сварке легированной стали происходит выгорание легирующих элементов. выделение карбидов при нагреве, наблюдается самозакаливаемость наплавленного металла и металла переходной зоны, возникают усадочные напряжения и появляются трещины вследствие малой теплопроводности некоторых легированных сталей.

Для предотвращения или устранения указанных явлений при сварке легированных сталей рекомендуется не допускать их перегрева, строго соблюдать установленные режимы сварки. применять специальные составы флюсов и обмазок. подогревать изделия перед сваркой и проводить термообработку изделий после сварки.

Свариваемость низколегированной конструкционной стали перлитного класса в основном определяется содержанием углерода. При содержании до 0,2 % C сталь сваривается хорошо, при 0,35% C- удовлетворительно, при 0.4% C- ограниченно, а при содержании больше 0.4% С-очень плохо (необходим предварительный подогрев и последующий отжиг).

Хромистые нержавеющие стали содержат 12-14% Сr и 0,1-0,4% С. Свариваемость этих сталей (марок 1Х13, Х14) вполне удовлетворительна при содержании до 0,2% С. Они обычно имеют феррито-мартенситную структуру. При сварке необходимо применять защитные покрытия (для предотвращения выгорания хрома) или легировать присадочный металл или электроды хромом. Стали типа 2X13, 3X13 имеют мартенситную структуру. Сварку хромистой стали рекомендуется осуществлять электродуговым способом с обязательным подогревом металла перед сваркой и последующей термической обработкой. Хромистые стали после сварки становятся хрупкими; сварные швы не выдерживают больших деформаций. Вязкость сварных швов восстанавливают отжигом при 750-800°С. Предварительный подогрев до 200-300°С позволяет избежать образования трещин.

Хромистые стали с содержанием 17% Cr и выше рекомендуется сваривать после предварительного подогрева до 300°С, так как при этом несколько повышается вязкость металла.

Свариваемость хромистых сталей с содержанием 25-30% Cr вполне удовлетворительна. Однако металл сварного шва вследствие сильного роста зерен при высоких температурах сварки и образования внутренних напряжений приобретает низкие механические свойства. Для снятия внутренних напряжений после сварки применяют отжиг при 960-980°С. Для предотвращения роста зерен при сварив рекомендуется вводить в состав электродов или покрытий титан, ванадий и алюминий; отжиг после сварки производят при 900°С.

Хромоникелевые стали типа 18-8 (18-20% Cr и 8-10% Ni) можно сваривать всеми способами. Однако необходимо учитывать, что в этих сталях при их нагреве до 500-800°C выпадают карбиды хрома, располагающиеся по границам зерен аустенита; последний у границ зерен обедняется хромом и теряет коррозионную стойкость. В процессе эксплуатации этих сталей может наблюдаться межкристаллитная коррозия. Для предотвращения такой коррозии в сварных швах необходимо по возможности уменьшать в этих сталях содержание углерода и вводить в их состав некоторое количество титана и ниобия. Последующий за сваркой стабилизирующий отжиг (выдержка 2-3 ч при 850-900°С) повышает стойкость хромоникелевой стали против межкристаллитной коррозии. Закалкой в воде с 1050-1100°С также можно понизить склонность стали к этой коррозии; во время нагрева под закалку карбиды хрома растворяются в аустените и при быстром охлаждении не успевают выделиться по границам зерен.

При сварке марганцовистой стали (0,8-1.З% С и 12-14% Mn) происходит выделение карбидов из аустенита и даже возможно частичное превращение аустенита в мартенсит в зоне термического влияния. Это резко снижает пластичность металла и может сопровождаться образованием трещин. Для предотвращения этого явления сварку марганцовистой стали надо вести возможно быстрее или применять водяное охлаждение отдельных участков шва, т. е. стремиться уменьшить зону термического влияния.

Сварку марганцовистой стали выполняют электродами того же химического состава, что и химический состав основного металла, или электродами из марганцовоникелевой стали со специальным покрытием.

8. Сварка алюминия и его сплавов

В настоящее время в машиностроении применяют сварные конструкции из алюминия и его сплавов. При сварке алюминия и его сплавов возникают трудности вследствие того. что алюминий легко окисляется и на его поверхности образуется тугоплавкая пленка окиси алюминия (A1₂0₃) c температурой плавления 2050 ⁰C. Эта пленка, хотя и защищает поверхность металла от дальнейшего окисления, препятствует сплавлению кромок. Поэтому ее следует перед сваркой механически удалять и не допускать образования в процессе сварки.

При нагревании до температуры плавления алюминий быстро переходит из твердого состояния в жидкое при температуре 627° С. Нагрев до 400-500°С часто сопровождается образованием прогибов. изломов и провалов участков свариваемого изделия. Поэтому сварку рекомендуют вести на формирующих подкладках.

Алюминий в жидком состоянии хорошо растворяет водород. При понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости в алюминии. Водород выделяется из металла и располагается по границам зерен в виде мельчайших пузырьков, несколько снижающих прочность шва и нарушающих герметичность сварного соединения.

При затвердевании алюминий и его сплавы дают большую усадку, вследствие этого вблизи шва могут образовываться трещины. Для предотвращения таких явлений для сварки алюминия и его сплавов применяют прутки и электроды специального состава.

Алюминий и его сплавы можно сваривать почти всеми рассмотренными способами. Перед сваркой кромки изделия и присадочные прутки очищают металлической щеткой от грязи, обезжиривают бензином и раствором Каустической соды и подвергают травлению. Травление производят при 50-70°С в растворе едкого натрия (45-50 г/дм³ воды) в течение 1 мин. После травления изделия промывают в холодной и горячей воде.

Для удаления пленки окиси алюминия из сварочной ванны применяют порошкообразные флюсы или специальные пасты. Наибольшее распространение получил флюс. содержащий 50% хлористого калия, 28% хлористого натрия, 14% хлористого лития и 8% фтористого натрия. Остатки флюса вызывают коррозию, поэтому после сварки шлак и остатки этого флюса смывают с поверхности шва теплой водой, а затем 5%-ным раствором азотной кислоты с 2% хромпика с последующей промывкой водой в течение 5 мин и сушкой. Этот флюс в виде пасты, замешанной на воде, применяют при газовой сварке.

При сварке алюминия и его сплавов в качестве присадки применяют проволоку того же химического состава, что и химический состав свариваемого металла. Хорошие результаты при сварке сплава АМц и некоторых термически обрабатываемых алюминиевых сплавов дает применение присадочной проволоки Марки АК, содержащей около 5% Si. Эта проволока обеспечивает повышенную жидкотекучесть ме-талла шва и меньшую усадку его при остывании.

Сварку алюминиевого литья ведут с предварительным подогревом до 250-260°С. Для получения мелкозернистого строения и устранения внутренних напряжений шов иногда подвергают отжигу при 300-350°С.

При электродуговой сварке металлическим электродом применяют специальную обмазку, в состав которой входит до 15% хлористого натрия. до 50% хлористого калия и до 35% криолита. На 100 г смеси добавляют 50 см³ воды. Связывающим веществом служит хлористый натрий, который одновременно является и флюсующим. Толщина обмазки на электроде достигает 1-1,2 мм на сторону. Сварку алюминия и его сплавов ведут на постоянном токе при обратной полярности. Шлак после сварки удаляют горячей водой.

Дуговую сварку алюминия угольным электродом производят с присадочным металлом и флюсом того же состава. что и при газовой сварке.

Атомноводородную сварку алюминия и его сплавов применят для ответственных конструкций (толщина деталей составляет 1,5-10 мм). Состав присадочного металла и флюса тот же, что и при газовой сварке.

Аргоно-дуговую сварку плавящимся электродом применяют для деталей толщиной 4-100 мм и более, а неплавящимся электродом 0.5-15 мм.

При электроконтактной точечной или роликовой сварке алюминиевых сплавов применяют токи большей силы, чем при сварке стали той же толщины; продолжительность сварки должна быть меньше. Это объясняется повышенной тепло- и электропроводностью алюминиевых сплавов по сравнению со сталью. Например, при точечной сварке листовой стали толщиной 2 мм применяют силу тока 7500 А при продолжительности сварки 0,5 с и давлении электродов 3 КН (300 кгс), а при сварке листового дюралюминия такой же толщины соответственно 31 000 А, 0.12 с и 5 кН (500 кгс). В машинах, используемых для сварки алюминиевых сплавов, применят специальные ионные прерыватели, обеспечивающие минимальное время протекания тока. Широкое применение нашли конденсаторные машины, дающие мощный импульс сварочного тока за сотые доли секунды.

9. Сварка титана и его сплавов

Прочность и пластичность сварных соединений промышленных титановых сплавов одинаковы с основным металлом.

В последние годы широко применяют дуговую сварку титана и его сплавов в атмосфере инертного газа или автоматическую дуговую сварку под флюсом на основе Са, Nа, исключающим возможность взаимодействия титана с кислородом.

Хорошие результаты получают при аргоно–дуговой автоматической сварке деталей малых толщин из титана и его сплавов вольфрамовыми электродами диаметром 1,5-3 мм при короткой дуге (1,0-1,5 мм) и плотности тока 40-75 А/мм². Для сварки титана и его сплавов чаще всего применяют постоянный ток прямой полярности или переменный ток. Скорость автоматической дуговой сварки составляет 18-27 м/ч при расходе аргона 360-650 дм³/ч.

Автоматическую электродуговую сварку в среде аргона можно также производить плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. В качестве электрода применяют сварочную проволоку диаметром 1.2-5 мм. Плотность тока равна 75 -100 А/мм²‚ скорость сварки 16-40 м/ч.

Сварку толстых деталей (до 40 мм) из титана и его сплавов осуществляют методом электрошлаковой сварки электродом толщиной 3-4 мм с использованием переменного тока. Место сварки и прилегающие зоны основного металла необходимо тщательно защищать от воздействия азота, водорода и кислорода, так как титан обладает большой химической активностью к этим элементам и восстанавливает окислы. При температурах выше 600°С титан интенсивно поглощает газы.

Электрошлаковую сварку ведут с применением специального флюса, содержащего стойкие бескислородные соединения титана и обладающего высокой температурой плавления и кипения.

При точечной и роликовой сварке титана защитная атмосфера из нейтрального газа не нужна; необходимо иметь лишь чистую поверхность изделий. Точечная или роликовая сварки применяются для листов или деталей толщиной 0,5-3.0 мм.