 |
9.2. Технология сварки легированных сталей
|
|
|
|
9. 2. Технология сварки легированных сталей
9. 2. 1. Технология сварки низколегированных конструкционных сталей
К низколегированным относят стали, легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании не более 5%, при этом содержание одного элемента не превышает 2%. Низколегированные стали, используемые для изготовления сварных конструкций, отличаются низким содержанием углерода (до 0, 22%). В качестве легирующих элементов они содержат марганец, кремний, хром, ванадий и др. Эти стали относят к перлитному классу.
Особенности сварки низколегированных сталей.
В целом низколегированные конструкционные стали можно считать вполне пригодными для дуговых способов сварки. Эти стали не относятся к группе металлов, обладающих повышенной склонностью к образованию холодных и горячих трещин.
При повышенном содержании легирующих элементов и особенно углерода в стали появляется чувствительность металла к образованию малопластичных закалочных структур. Значение эквивалентного углерода этих сталей – 0, 45%. С увеличением степени легирования при повышении интенсивности охлаждения металла, что имеет место при сварке толстолистовой стали и при пониженных температурах окружающего воздуха, на участках перекристаллизации зоны термического влияния наблюдается количественный рост закалочных структур – мартенсита и бейнита. Образование закалённых участков в сочетании с высоким содержанием диффузионного водорода в металле шва и наличием остаточных сварочных напряжений способствует образованию холодных трещин. Предотвратить появление закалочных структур в этом случае можно путём регулирования термического цикла сварки и получения цикла со сниженной до требуемого уровня скоростью охлаждения металла. Это может быть достигнуто посредством принудительного нагрева стали в месте сварки, а также путём повышения эффективной погонной энергии за счёт увеличения силы сварочного тока и/или уменьшения скорости сварки.
|
|
|
Особенности сварки высокопрочных низколегированных сталей.
В силу специфических характеристик высокопрочные низколегированные стали представляют собой стали с низким содержанием углерода (до 0, 25%), высокие прочностные характеристики которых (σ Т = 550…1000 МПа, σ В = 650…1200 МПа) обеспечиваются не только комплексным легированием марганцем, кремнием, хромом, молибденом и никелем, но также дисперсионным упрочнением при термической обработке и мелкозернистостью. Измельчение зерна достигается за счёт присадок алюминия, циркония, титана, ванадия и ниобия, вводимых в сталь в количестве 0, 01…0, 1%, которые, образуя карбиды, нитриды и карбонитриды, действуют в качестве центров кристаллизации. В некоторые стали добавляют бор (0, 001…0, 006%), что позволяет несколько снизить содержание других легирующих элементов.
Нужные эксплуатационные характеристики стали получают после закалки при температуре 900…950оС, при которой образуется мелкодисперсный мартенсит и другие промежуточные закалочные структуры, и последующем отпуске при температуре низколегированные высокопрочные стали 600…720оС.
Низколегированные высокопрочные стали, как и стали повышенной прочности, не склонны к образованию горячих трещин. Вместе с тем они в большей степени по сравнению со сталями повышенной прочности реагируют на термический цикл ручной дуговой сварки, что сказывается на структурно-фазовых превращениях в зоне термического влияния. Под действием термического цикла при определённых условиях и режимах сварки могут активно проходить не только процессы, приводящие к образованию хрупких закалочных структур (на участках перекристаллизации), но и процессы, вызывающие разупрочнение металла (на участке, нагреваемом до температуры отпуска стали) и потерю вязкости (на участке перегрева).
|
|
|
Термический цикл, способствующий появлению закалочных структур, что наблюдается при высоких скоростях охлаждения металла и рассматривается как отрицательное явление, одновременно тормозит развитие превращений, приводящих к разупрочнению и снижению вязкости стали, что является положительным фактором, способствующим получению равноценного сварного соединения, и наоборот.
Для сварки металлоконструкций, оборудования и трубопроводов из низколегированных сталей следует применять электроды типов Э42А, Э46А, Э50А, Э60, Э70 и Э85.
В общем случае температура прокалки электродов в печах должна составлять 300…350оС, время выдержки – 1…1, 5 ч. Однако, при сварке конструкций из сталей повышенной прочности с высокими значениями эквивалента углерода (Сэкв > 0, 45%) или параметра трещинообразования (Рс > 0, 3), температуру прокалки электродов следует поднимать до температуры 400…420оС с увеличением продолжительности термообработки до 2…2, 5 ч.
Разделку кромок соединяемых элементов под сварку можно производить кислородной, плазменной и дуговой резкой или механической обработкой. При этом подготовленные под сварку кромки и прилегающие к ним участки металла шириной не менее 20 мм должны быть самым тщательным образом очищены от окалины, ржавчины, масла, краски и других поверхностных загрязнений.
Прихватки целесообразно выполнять электродами, не гарантирующими высокой прочности, но обеспечивающими получение металла шва с возможно более высокой пластичностью (УОНИ-13/45, УОНИ-13/45А). Длина прихваток должна составлять 50… 100 мм, расстояние между прихватками должно быть 400…500 мм, высота – 3…8 мм.
Температуру подогрева можно рассчитать по формулам:
Т = 1440Рс – 392;
Т = 350 
,
где [C] – общий эквивалент углерода, равный сумме химического эквивалента углерода [C]с и эквивалента углерода [C]δ , зависящего от толщины листа δ, мм, т. е. [C] = [C]с + [C]δ
Эквивалент углерода [C]с вычисляют по уравнению:
|
|
|
360[C]с = 360С + 40(Mn + Cr) + 20Ni + 28Mo
Эквивалент углерода [C]δ вычисляют по формуле:
[C]δ = 0, 005 δ [C]с
Температура подогрева, как правило, составляет 50…160оС.
При сварке конструкций с предварительным подогревом металла полезно проводить послесварочный термический отдых при температуре 150…200оС в течение 10…12 ч, в процессе которого имеет место некоторая релаксация остаточных напряжений и удаление диффузионного водорода.
Низколегированные стали сваривают преимущественно электродами диаметром 3, 0; 4, 0 и 5, 0 мм в пределах общепринятых режимов, техники и способов выполнения швов. При сварке металла большой толщины, выполняемой с предварительным подогревом, применяют каскадный способ наложения швов, при сварке протяжённых швов – способ сварки секциями длиной 500…800 мм. Это позволяет сохранить установленную температуру подогрева. Сварку корневых слоёв на весу производят с использованием специализированных электродов типа АНО-ТМ и LB-52U, позволяющих на постоянном токе прямой полярности получать стабильно полное проплавление кромок с формированием обратного валика благоприятной формы при плавном переходе к основному металлу.
Сварку стали повышенной прочности класса 440 выполняют электродами диаметром 4, 0 и 5, 0 мм на увеличенной силе сварочного тока при эффективной погонной энергии не менее 20000 Дж/см, что соответствует валику с поперечным сечением более 30…32 мм2. Причём сварку соединений надлежит вести без перерыва до получения шва требуемых проектных размеров. Последнее требование относится и к сварке высокопрочных сталей.
Сварку высокопрочных сталей проводят на режимах с пониженными значениями погонной энергии, установленных с учётом приоритета предварительного подогрева. Например, сварку стыковых соединений с V-образной разделкой кромок из стали с σ Т > 690 МПа толщиной 12…16 мм выполняют с подогревом до температуры 130…150оС на режимах с эффективной погонной энергией, не превышающей 12000…16000 Дж/см (поперечное сечение валика шва 18…25 мм2). При сварке тавровых соединений значение допустимой погонной энергии может быть увеличено до 20000 Дж/см.
Необходимо отметить, что температура металла между отдельными проходами во избежание перегрева стали не должна подниматься выше 200…230оС (но и не опускаться ниже начальной температуры).
|
|
|
