Текст книги "Общие сведения о сварке, сварных соединениях и швах"

Илья Мельников
Общие сведения о сварке, сварных соединениях и швах

КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ

В зависимости от вида энергии, применяемой при сварке, различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемой плавлением, – местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии.

Источниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга, газовое пламя, лучевые источники энергии и теплота, выделяемая при электрошлаковом процессе.

Источники теплоты характеризуются температурой и концентрацией, определяемой наименьшей площадью нагрева в месте сварки и наибольшей плотностью тепловой энергии в месте нагрева. Эти характеристики определяют технологические свойства источников нагрева металла при сварке и наплавке.

Степень концентрации теплоты в электрической дуге в десятки раз, в плазме – тысячи, а в фотонном луче (лазерная обработка) – десятки тысяч раз выше, чем в газовом пламени.

Основные виды сварки термического класса – дуговая, газовая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, лазерная, термитная и др.

Дуговая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев осуществляют электрической дугой. Особым видом дуговой сварки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляют сжатой дугой.

Газовая сварка – сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки.

Электрошлаковая сварка – сварка плавлением, при которой для нагрева металла используют теплоту, выделяющуюся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.

Электронно-лучевая сварка – сварка, в которой для нагрева используют энергию электронного луча. Теплота выделяется за счет бомбардировки зоны сварки направленным электронным потоком.

Лазерная сварка осуществлятся энергией светового луча, полученного от оптического квантового генератора – лазера.

При термитной сварке используют теплоту, образующуюся в результате сжигания термит-порошка, состоящего из смеси алюминия и оксида железа.

К термомеханическому классу относят виды сварки, при которых одновременно используются тепловая энергия и давление, контактная, диффузионная, газопрессовая, дугопрессовая и др.

Основным видом этого класса является контактная сварка – нагрев осуществляется теплотой, выделяемой при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Диффузионная сварка – сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации.

В прессовых видах сварки соединяемые части могут нагреваться пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки (газопрессовая сварка), дугой (дугопрессовая сварка), электрошлаковым процессом (шлакопрессовая сварка), индукционным нагревом (индукционнопрессовая сварка), термитом (термитнопрессовая сварка) и т. п.

К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и др.

Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых деталей.

Сварка взрывом– сварка, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей.

Ультразвуковая сварка – сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Сварка трением – сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением при вращении свариваемых деталей относительно друг друга.

Наплавка – процесс нанесения с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей и получения изделий с заданными свойствами поверхности.

Для наплавки применяют преимущественно дуговые виды сварки: ручную плавящимися и неплавящимися электродами, механизированную и автоматическую под флюсом и в защитных газах, вибродуговую, плазменную. Наряду с дуговой применяют газовую, электрошлаковую, индукционную, печную наплавку.

Известно несколько способов получения наплавленного легированного металла:

– использование легированного электродного стержня, электродной проволоки или ленты сплошного сечения и нелегирующих покрытий, флюса или защитного газа;

– использование проволок и лент с легирующими наполнителями в сочетании с нелегирующими покрытиями, флюсом или защитным газом;

– использование нелегированного электродного стержня, проволоки или ленты и легирующего покрытия или флюса;

– нанесение легирующих примесей в виде порошков, паст и т. д. на поверхность, подлежащую наплавке.

Ручную дуговую наплавку применяют при восстановлении изношенных поверхностей, устранении брака литья и для наплавки поверхностей со специальными свойствами.

Ручную дуговую наплавку выполняют плавящимся и неплавящимся электродами, расплавлением слоя сыпучего наплавочного материала.

Автоматическую наплавку под флюсом выполняют проволоками сплошного сечения и порошковыми, одним электродом, отдельными валиками, одновременно несколькими электродами и электродной лентой.

Наплавку вольфрамовым электродом проводят в среде аргона. Необходимые свойства наплавленного металла обеспечиваются применением присадочных проволок специального состава или вдуванием легирующих порошков в зону дуги.

Можно наплавлять в инертных газах и плавящимся электродом, однако применение той же технологии, что и для сварки, ведет к повышенному содержанию основного металла в наплавке, поэтому используют дополнительную присадочную проволоку.

Плазменная наплавка осуществляется несколькими способами:

– с подачей присадочной наплавочной проволоки;

– с подачей присадочного порошка в плазменную струю;

– по слою легирующего материала, нанесенного на поверхность изделия;

– с токоведущей присадочной проволокой;

– с двумя плавящимися электродами.

Электрошлаковая наплавка производится на плоские и цилиндрические поверхности для создания поверхностных слоев с особыми свойствами и для создания промежуточных слоев на кромках заготовок для последующей сварки. Техника электрошлаковой наплавки принципиально не отличается от техники сварки.

Вибродуговую наплавку применяют в основном как средство восстановления быстроизнашивающихся деталей станочного, металлургического, сельскохозяйственного оборудования. Этому виду наплавки могут подвергаться детали диаметром 8-10 мм и выше. Сущность вибродуговой наплавки заключается в том, что наплавку осуществляют с помощью специальной головки, обеспечивающей подачу и вибрацию электродной проволоки.

Вибрация электрода облегчает возбуждение дуги и повышает стабильность процесса. При наплавке электрические разряды чередуются с короткими замыканиями. В зону наплавки и дуги подается щелочная эмульсия, защищающая металл от воздействия воздуха в процессе наплавки и охлаждающая детали, в связи с чем уменьшаются зона термического влияния и сварочные деформации и повышается твердость наплавленного слоя.

Газокислородное пламя используют преимущественно для наплавки литыми твердыми сплавами.

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ШВЫ

Сварным соединением называют элемент сварной конструкции, состоящей из двух или нескольких деталей и сварного шва, соединяющего эти детали.

Образование сварного соединения сопровождается сложными физическими и химическими процессами.

К физическим относят процессы, которые, изменяя физические свойства вещества, не изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, и не приводит к изменению его химических свойств. При сварке – это нагрев металла, его плавление и кристаллизация, распространение теплоты, деформация изделия.

Химические процессы изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего получаются новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами. К основным химическим сварочно-металлургическим процессам относятся химические реакции взаимодействия свариваемого металла с газами, покрытиями и флюсами.

Физические и химические процессы при сварке сопряжены между собой по времени и пространству, поэтому их можно объединить общим понятием – физико-химические процессы. Под действием физико-химических процессов возникает характерное строение сварного соединения.

Сварное соединение при сварке плавлением включает в себя сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления – зону, где находятся частично сплавившиеся зерна металла на границе основного металла и шва; зону термического влияния – участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке плавлением или резке; основной металл – металл подвергающихся сварке соединяемых частей, но не изменивший своих свойств при сварке.

Соединение, выполненное сваркой давлением в твердом состоянии, состоит из зоны соединения, где образовались межатомные связи соединяемых частей, зоны термомеханического влияния и основного металла.

В формировании структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепловым процессам, при сварке давлением – пластической деформации.

Различают стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые соединения. Стыковые соединения самые типичные, в которых торцы или кромки соединяемых деталей располагаются так, что поверхность одной детали является продолжением поверхности другой. Стыковые соединения без скоса свариваемых кромок применяют при соединении листов толщиной до 12 мм. Кромки листов срезают под прямым углом к плоскости листа и при сварке располагают с зазором 1-2 мм. Листы толщиной до 4 мм сваривают односторонним швом, выше и до 12 мм – двусторонним.

Стыковые соединения с V-образной разделкой кромок применяют при сварке металла толщиной от 3 до 60 мм. При этом разделка кромок может быть одно– и двусторонней. Для толщин металла в пределах 15-100 мм применяют V-образную разделку с криволинейным скосом одной или обеих кромок. Стыковые соединения с Х– и К-образными разделками кромок применяют при сварке металла толщиной 8-175 мм. При этом расход электродного металла, а отсюда и электроэнергии почти вдвое меньше, чем при V-образной разделке кромок. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую деформацию после сварки. При V– и Х-образных разделках кромки притупляют, чтобы предотвратить прожог металла при сварке.

Нахлесточные соединения применяют при изготовлении различных строительных конструкций – колонн, мачт, ферм и др. Их выполняют наложением одного элемента соединения на другой. Величина перекрытия должна быть не менее удвоенной суммы толщин свариваемых кромок изделия. Свариваемые поверхности не обрабатывают (не считая зачистку кромок). Листы заваривают с обеих сторон, чтобы не допустить проникновения влаги в зазор между свариваемыми листами.

Тавровые соединения – это соединения, в которых торец одного элемента примыкает к поверхности другого элемента свариваемой конструкции под некоторым углом. Их применяют для металлов толщиной 2-120 мм. В зависимости от назначения соединения и толщины металла сварка может быть осуществлена без скоса, с одно– и двусторонним скосом кромок элементов соединения. Для получения прочного шва зазор между свариваемыми элементами составляет 2-3 мм.

Угловые соединения осуществляют при расположении свариваемых элементов под прямым или произвольным углом и сварка выполняется по кромкам этих элементов с одной или с обеих сторон. Угловые соединения применяют при сварке различных коробчатых изделий, резервуаров и емкостей из металла толщиной 1-100 мм.

Сварные швы подразделяют по следующим признакам:

– по положению относительно действующего усилия – на фланговые, лобовые и косые;

– по положению в пространстве – на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные;

– по внешней форме – на выпуклые, нормальные и вогнутые;

– по протяженности – на непрерывные или сплошные и прерывистые.

Выпуклые швы имеют большее сечение и поэтому называются усиленными. Однако большая выпуклость для швов, работающих при знакопеременных нагрузках, вредна, так как вызывает концентрацию напряжений в местах неплавного перехода от шва к поверхности основной детали. Вогнутые (ослабленные) швы применяют, как правило, в угловых соединениях. В стыковых соединениях они не допускаются. Нормальные швы по сечению соответствуют расчетным и приняты как основной вид сварного шва. Прерывистые швы применяют в том случае, если шов не ответственный (сварка oграждений, настила и др.), или если по прочностному расчету не требуется сплошной шов. Их применяют в целях экономии материалов, электроэнергии и труда сварщика. Длину провариваемых участков прерывистого шва принимают в пределах от 50-150 мм, а промежутки делают примерно вдвое больше. Расстояние от начала предыдущего шва до начала последующего шва называют шагом шва.

Основные типы швов – стыковые и угловые. Стыковые швы – это швы стыковых соединений. Угловые швы, называемые также валиковыми, – это швы угловых, тавровых, нахлесточных соединений.

Для изготовления сварных конструкций применяется большое количество сварочных материалов, которые обеспечивают процесс сварки, формирование, защиту и заданный химический состав шва.

Сварочные материалы можно квалифицировать так:

– непосредственно участвующие в образовании сварного шва. К ним относятся штучные плавящиеся электроды для ручной дуговой сварки, электродные проволоки для сварки в защитных газах, под флюсом и для электрошлаковой сварки, присадочные материалы при различных способах сварки плавлением; в меньшей степени участвуют в формировании состава швов флюсы и активные газы;

– непосредственно не участвующие в образовании металла шва. К ним относятся неплавящиеся электроды вольфрамовые, угольные, графитовые, инертные газы.

Сварочные материалы классифицируются также на металлические и неметаллические. К металлическим сварочным материалам относятся сварочные и наплавочные проволоки, ленты сплошного сечения и порошковые; электроды – покрытые плавящиеся и вольфрамовые неплавящиеся; дополнительный присадочный металл в виде присадочной проволоки, гранулированных металлических порошков.

К неметаллическим сварочным материалам относятся флюсы – плавленые и керамические, защитные газы инертные и активные. К этой группе можно отнести вакуум как защитную среду при сварке активных металлов.

СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Свариваемостью называется свойство металлов или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость – свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологическая свариваемость – технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.

Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов.

Назовем основные показатели свариваемости металлов и их сплавов:

– окисляемость при сварочном нагреве, зависящая от химической активности металла;

– чувствительность к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

– сопротивляемость образованию горячих трещин;

– сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;

– чувствительность к образованию пор;

– соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.

Кроме перечисленных основных показателей свариваемости имеются еще показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий.

Окисляемость металла при сварке определяется химическими свойствами свариваемого материала. Чем химически активнее металл, тем больше его склонность к окислению и тем выше должно быть качество защиты при сварке. Это особенно наглядно видно на примере железоуглеродистых сплавов. Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных примесей. Углерод является наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные ее свойства в процессе обработки, в том числе и свариваемость. Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали свариваются хорошо. Стали, содержащие С>0,35 %, свариваются хуже. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. В околошовных зонах появляются закалочные структуры и трещины, а шов получается пористым.

Марганца в стали содержится обычно 0,3-0,8 %, что не затрудняет сварку стали. Однако при повышенном содержании марганца (1,8-2,5%) прочность, твердость и закаливаемость стали возрастают, и это способствует образованию трещин. При сварке высокомарганцовистых сталей (11-16% Mn) происходит выгорание марганца, если не принять меры по его восполнению через электродное покрытие, флюсы и др.

Кремний содержится в обычной углеродистой стали в пределах 0,02-0,3 % и существенного влияния на свариваемость не оказывает. При повышенном содержании (0,8-1,5%) кремний затрудняет сварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие окислы и шлаки.

Сера является самой вредной примесью стали. Содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Сера образует в металле сернистое железо, которое имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворяется в расплавленной стали. При кристаллизации стали сернистое железо располагается между кристаллами металла шва и способствует образованию трещин.

Фосфор является также вредной примесью стали. Содержание фосфора в стали доходит до 0,05 %. Фосфор ухудшает свариваемость стали, так как образует хрупкое фосфористое железо, придает стали хладноломкость.

Свариваемость стали принято оценивать по следующим показателям:

– склонности металла шва к образованию горячих и холодных трещин;

– склонности к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур;

– физикомеханическим качествам сварочного соединения;

– соответствию специальных свойств сварного соединения техническим условиям.

Для определения свариваемости применяют два основных метода. По первому методу изготовляют образцы, на которые наплавляются по одному валику. Обработанные и протравленные образцы подвергают макро– и микроисследованиям, а затем механическим испытаниям на загиб и ударную вязкость. Результаты исследования позволяют не только оценить свариваемость стали, но и установить оптимальные режимы сварки.

Стали считаются сваривающимися хорошо, если трещины отсутствуют; удовлетворительно, если трещины образуются при охлаждении водой, но отсутствуют при охлаждении воздухом; ограниченно, если сталь для предупреждения образования трещин требует предварительного подогрева до 100-150 °С и охлаждения на воздухе. Плохо сваривающиеся стали требуют предварительного подогрева до 300 °С и выше.

Углеродистые стали по свариваемости можно условно подразделить на следующие группы: хорошо сваривающиеся стали – СТО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380-71); 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050-88); удовлетворительно сваривающиеся стали – Ст5 (ГОСТ 380-71); 30, 35 (ГОСТ 1050-88); ограниченно сваривающиеся стали – Ст6, Ст7 (ГОСТ 380-71); 40, 45, 50 (ГОСТ 1050-88); плохо сваривающиеся стали – 60Г, 65Г, 70Г, 70, 75, 80, 85.

В сварных строительных конструкциях используются главным образом стали первой группы. Стали СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 применяют при изготовлении строительных конструкций, арматуры, горячекатаных и сварных труб с прямым и спиральным швами. Из сталей СтЗ изготовляют бункера, резервуары, газгольдеры, подкрановые балки, конструкции доменного комплекса, балки перекрытий. Стали 10, 15, 20 и 25 используют для производства горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и образуют сварной шов без хрупких структур и пористости.

Как правило, чем выше прочность свариваемого материала и больше стенень его легирования, тем чувствительнее материал к термическому циклу сварки и сложнее технология его сварки.

Чувствительность металла к тепловому воздействию сварки оценивают по свойствам различных зон соединений и сварных соединений в целом при статических, динамических и вибрационных испытаниях (растяжение, изгиб, определение твердости, определение перехода металла в хрупкое состояние и др.), а также по результатам металлографических исследовании в зависимости от применяемых видов и режимов сварки.

Сопротивляемость металла образованию трещин при сварке. При сварке могут возникать горячие и холодные трещины в металле шва и в околошовной зоне.

Горячие трещины – хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии.

При кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит в жидкотвердое, а затем в твердожидкое и, наконец, в твердое состояние. В твердожидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкими пластичностью и прочностью.

Усадка шва и линейное сокращение нагретого металла в сварном соединении при охлаждении могут привести к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва.

Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний – сварку технологических проб и машинные способы испытаний.

В технологических пробах сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине.

В машинных методах испытаний растягивают или изгибают образец во время сварки. Стойкость материалов оценивают по критической величине или скорости деформирования, при которых возникает трещина. Для предотвращения горячих трещин необходимо правильно выбирать присадочный материал и технологию сварки.

Холодные трещины – локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преимущественно при нормальной температуре, а также при температурах ниже 200° С. Причины возникновения холодных трещин при сварке:

– охрупчивание металла вследствие закалочных процессов при быстром его охлаждении;

– остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях;

– повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин.

Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости холодным трещинам применяют, как и при оценке сопротивляемости горячим трещинам, два вида испытаний – технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней постоянной механической нагрузки.

Преимуществом технологических проб является возможность моделировать технологию сварки и, следовательно, судить о сопротивляемости образованию трещин в условиях, близких к реальным. Проба представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин.

Существует много технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Пробы дают только качественный ответ: образуется или не образуется трещина.

Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после сварки. Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на металл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хранении и эксплуатации конструкции.

Методы борьбы с холодными трещинами основываются на уменьшении степени подкалки металла, снятии остаточных напряжений, ограничении содержания водорода. Наиболее эффективным средством для этого является подогрев металла перед сваркой.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут выходить или не выходить на поверхность, располагаться цепочкой, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4-6 мм в поперечнике). Причины возникновения пор:

– выделение водорода, азота и окиси углерода в результате химических реакций;

– различная растворимость газов в расплавленном и твердом металле;

– захват пузырьков газа при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходима тщательная подготовка основного и присадочного материалов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т. д.), надежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), соблюдение режимов сварки.

Наряду с порами сплошность металла шва нарушают шлаковые включения. Шлаковые включения связаны с тугоплавкостью, повышенной вязкостью и высокой плотностью шлаков, плохой зачисткой поверхности кромок и отдельных слоев при многослойной сварке, затеканием шлака в зазоры между свариваемыми кромками и в места подрезов. Помимо шлаковых включений в шве могут быть микроскопические оксидные, сульфидные, нитридные, фосфорсодержащие включения, которые ухудшают свойства сварного шва.

Технология сварки (вид сварки, сварочные материалы, техника сварки) выбирается в зависимости от основного показателя свариваемости (или сочетаний нескольких показателей) для каждого конкретного материала.