Свариваемость металлов и сплавов

Свариваемостью называют способность металлов образовывать сварные соединения с требуемыми технологическими характеристиками. Свариваемость тех металлов лучше, для сварки которых можно применять большее число способов сварки и более простую технологию.

Лучшей свариваемостью обладают металлы, способные образовывать друг с другом непрерывный ряд твердых растворов; худшей - металлы с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии; плохой - металлы, которые не растворяются взаимно друг в друге (механические смеси).

При хорошей свариваемости сварные соединения должны обладать теми же свойствами, что и основной металл, и не иметь дефектов в виде холодных и горячих трещин, пор, неметаллических включений и т.д.

Для оценки технологической свариваемости определяют: структуру и механические свойства шва и околошовной зоны; склонность металла шва и околошовной зоны к образованию горячих (кристаллизационных) и холодных (закалочных) трещин. Для этого применяют специальные и стандартные методики (ГОСТ 1385-68, Г0СТ 6996-66 и др.).

Особенности сварки конструкционных сталей определяются прежде всего содержанием углерода и легирующих элементов.

Малоуглеродистые стали и низколегированные стали (20Х, 15Н2М и др.) хорошо свариваются любыми методами сварки. В некоторых случаях (при сварке больших толщин) после сварки проводят термическую обработку для снятия внутренних напряжений и улучшения структуры.

Углеродистые (С > 0,3%) и низколегированные стали (до 3-4% л.э.) относятся к удовлетворительно свариваемым. Это стали перлитного класса (30ХГ2С, 35ГС, 40ХФА и др.). Основная трудность сварки этих сталей заключается в закалке околошовной зоны и возможности образования холодных трещин. Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется: подогревать изделия до 100-300°С; заменять однослойную сварку многослойной; прокаливать электроды и флюсы при 400-450°С; проводить отпуск изделий после сварки при 300°С и выше.

Аналогичные требования предъявляются при сварке теплоустойчивых сталей (12МХ, 15ХМ, 20М, 15ХМФ и др.).

Особенности сварки высокохромистых сталей (12-28% Сr) -ферритных (12X, 15Х25Т, 15X28), ферритно-мартенситных Ф-М (12X13) и мартенситных М (20X13, 30X13, 40X13), связаны с охрупчиванием металла шва и зоны термического влияния. При нагреве до высоких температур происходит интенсивное укрупнение зерна, а при замедлении охлаждения в области температур 550-400°С по границам зерен выпадают хрупкие фазы, а в Ф и Ф-М сталях возможна закалка шва и околошовной зоны и образование холодных трещин.

Для предупреждения указанных явлений необходимо проводить: сварку при малых погонных энергиях, т.е. применять пониженные значения тока при сварке; после сварки проводить отжиг при 800-900°С для растворения хрупких фаз; вести сварку с предварительным подогревом до 200-300°С.

Сварка аустенитных хромо-никелевых сталей (18% Cr, 8% Ni) связана с возможностью выпадения карбидов хрома (Cr₆C₂₃) по границам зерен в зоне температур 500-800⁰С и появлением межкристаллитной коррозии. Сварку таких сталей необходимо вести при малых погонных энергиях с ускоренным охлаждением; вводить в сталь и шов более сильные карбидообразующие элементы (Ti, Nb) и снижать содержание углерода; закаливать после сварки с 1050°С с целью фиксирования аустенитной структуры.

При сварке жаростойких и окалиностойких сталей (с 25% Cr и 20% Ni) кроме выпадения карбидов хрома возможно образование горячих трещин. Для их сварки применяют специальную сварочную проволоку легированную марганцем (Св30Х25НТ6Г7 и др.).

Сварка чугуна применяется для исправления дефектов в отливках и при ремонтных работах. Основная трудность сварки чугуна связана с образованием отбеленной структуры и закалке околошовной зоны. Различают горячую и холодную сварку чугуна.

Горячая сварка чугуна выполняется с предварительным подогревом деталей до 400-700⁰С. Сварку ведут чугунными электродами (Ø 8-26 мм) со специальной обмазкой. Сваренные изделия охлаждают вместе с печью. Горячую сварку выполняют также газовым пламенем с флюсом на основе буры.

Холодная сварка чугуна выполняется стальными, медно-железными, медно-никелевыми (монель-металл, мельхиор) электродами и электродами из аустенитного чугуна. Применение таких электродов позволяет получить наплавку, у которой отбеливание наблюдается только на отдельных участках и не влияет на снижение свойств.

Особенности сварки меди и ее сплавов определяются влиянием в ней вредных примесей (О, Н, Вi, Pb). Закись меди Cu₂O образует с медью легкоплавкую эвтектику (Cu₂O-Cu) с температурой плавления 1064°С (меди 1080°С), которая располагается по границам кристаллов и приводит к появлению горячих трещин. Кроме того, наличие сетки эвтектики по границам зерен делает шов хрупким и при комнатных температурах.

В результате повышенной теплопроводности меди при сварке происходит ее перегрев с образованием крупнозернистой структуры. Высокая растворимость водорода в меди в случае быстрого охлаждения может вызвать пористость шва. Для предупреждения этих явлений после сварки производят быстрое охлаждение в воде и проковку шва при комнатной температуре, а сварку ведут с применением флюсов и защитных газов.

При сварке сплавов меди-латуней (до 50% Zn) основной трудностью является испарение Zn, в результате шов теряет свои свойства, в нем появляются поры. Кроме того, пары Zn ядовиты. Поэтому сварку ведут в респираторах и с применением газовых флюсов (борный ангидрид) и окислительного газового пламени с целью связывания Zn в его оксиды.

Сварку бронз применяют для заварки дефектов и ремонта литья. Сварку ведут металлическим электродом со специальным покрытием при повышенной скорости, во избежание перегрева и выплавления легкоплавких составляющих сплава.

Сварка алюминия и его сплавов затруднительна из-за образования прочной и тугоплавкой пленки оксида Al₂O₃ (t_пл = 2050⁰С) препятствующей сплавлению расплавленного и основного металлов. Для растворения пленки Al₂O₃ применяют флюсы и пасты из смеси хлористых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaCl, KCl, LiF и др.). Кроме того, Al при 400-500°С имеет низкую прочность и может разрушиться под собственной массой. Поэтому, сварку Al необходимо вести на подкладках. Способность Al в жидком состоянии активно поглощать газы (О, Н) требует при сварке применения надежной защиты.

Сплавы Al с Mg и Мn (АМг, АМц) сваривают при тех же условиях, что и Al. Исключение составляют дюралюмины. Нагрев их при сварке свыше 500°С приводит к оплавлению и окислению границ зерен, вследствие чего теряются механические свойства, которые не могут быть восстановлены термической обработкой (закалкой, старением). Только при сварке в среде защитных газов их свойства восстанавливаются на 80-90%.

Сварка тугоплавких металлов и сплавов (Ti, Zr, Nb, Mo, W и др.) затруднена по причине того, что при нагреве они активно поглощают газы (O, H, N). При этом незначительнее загрязнение ими (> 0,001%) приводит к резкому снижению пластичности шва.

Титан рекомендуется сваривать в атмосфере Ar с дополнительной защитой не только корня шва, но и околошовной зоны, нагретой до температуры 400°С. Ниобий и цирконий сваривать в камерах с контролируемой атмосферой. Молибден и вольфрам сваривают электронным лучом в вакууме 133×10^-4 Н/м².

Напряжения и деформации при сварке возникают в результате неравномерного нагрева и охлаждения, что приводит к изменению формы и размеров конструкции. При сварке малопластичных и склонных к закалке металлов они могут вызывать появление трещин.

Величина сварочных деформаций определяется объемом наплавленного металла, степенью его пластичности и жесткостью конструкции. Различают следующие виды деформаций: местные выпучины и хлопуши; изгиб пластины; грибовидность, сокращение размеров свариваемого изделия и др.

Конструктивными мероприятиями по предупреждению сварочных деформаций являются: уменьшение сечения сварных швов, применение двусторонней разделки кромок, рациональное размещение сварных швов (симметрично, ближе к центру тяжести конструкций), применение ребер жесткости и т.д.

Технологическими мероприятиями является: правильный выбор способа и режима сварки, рациональная последовательность наложения сварных швов, закрепление свариваемых деталей в жестких кондукторах, предварительный обратный прогиб конструкции, получающей изгиб при сварке и др.

Устранить деформации после сварки можно способами холодной и горячей правки. Для снятия напряжений применяют предварительный подогрев или последующий отжиг.

Дефекты сварных соединений подразделяют на внешние (наплывы, подрезы, непровары, несплавления, трещины, поры и др.) и внутренние (скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и др.).

Качество сварных соединений обеспечивают предварительным, текущим и окончательным контролем. Различают разрушающие и неразрушающие метода контроля.

При предварительном контроле материалов и заготовок устанавливают, соответствие их сертификатным данным заводов-поставщиков. При изготовлении ответственных конструкций сваривают контрольные образцы, а из них вырезают образцы для механических испытаний, металлографического анализа, технологических проб на свариваемость.

При текущем контроле за процессом сварки проверяют соблюдение сварщиком режимов сварки, осматривают швы, выявляют дефекты и принимают меры по их устранению.

0кончательный контроль готовых сварных соединений предусматривает следующие виды контроля: внешний осмотр и обмер размеров швов, металлографические исследования и испытания на коррозионную стойкость, просвечивание рентгеновскими лучами (сталь толщиной до 500мм), просвечивание гамма-лучами (толщина металла от 10 до 300мм), ультразвуковой метод контроля (толщина соединений от 5 до 3600мм), магнитные методы основаны на рассеивании магнитных потоков в дефектных местах (на глубине до 15мм), испытания на плотность (гидравлические испытания Р_исп = (1,5-2)Р_раб., керосиновая проба, сжатым воздухом и др.

Технико-экономические показатели различных способов сварки. Строительные конструкции и машины, изготовленные сваркой, обычно имеют ряд преимуществ по сравнению с другими способами их изготовления.

Замена клепаных конструкций сварными дает экономию металла за счет более полного использования рабочих сечений и уменьшения массы соединительных элементов. При сварке малоуглеродистых сталей суммарное уменьшение массы конструкций составляет от 10 до 25%. Вследствие уменьшения массы и трудоемкости изготовления сварных конструкций они дешевле, чем клепаные. Сварочное оборудование дешевле и проще, чем дыропробивные, сверлильные и клепальные гидравлические машины; оно обеспечивает бесшумность процесса сварки. В производстве емкостей и ряде других конструкций достигается более высокая герметичность соединении. Поэтом клепка вытеснена сваркой в транспортном машиностроении, автостроении, котло- и резервуаростроении, а также в производстве строительных и других конструкций.

По сравнению с литыми, сварные конструкции имеют меньшую массу, более высокие механические свойства и дешевле при мелкосерийном производстве, а также при сложных геометрических формах конструкций.

Замена цельнокованых изделий комбинированными сварно-коваными (роторы гидротурбин, крупногабаритный инструмент и др.) дает значительную экономию металла. Применяются комбинированные конструкции из проката, отливок и поковок, выполненные с применением электрошлаковой сварки. В вагоностроении, автомобиле- и авиастроении получили распространение сварные конструкции, в которых применяются штампованные, гнутые и прессованные элементы. Замена сварными конструкциями 2,75 млн. т чугунного литья, I млн.т поковок, 0,5 млн. т стального литья и 1 млн. т штамповок позволяет сэкономить свыше 3 млн. т металла, высвобождает свыше 23 тыс. рабочих и существенно снижает капитальные вложения.

Технико-экономические показатели различных способов сварки колеблются в широких пределах в зависимости от множества факторов, среди которых основными являются свойства свариваемого металла, толщина листов, форма соединения и положение его в пространстве, мощность сварочного тока или газовой горелки, диаметр электрода или присадочной проволоки, метод сварки, способ защиты шва, степень организации рабочего места, механизации и автоматизации, тип сварочной машины и вид управления ею и т. п. Так, производительность (скорость сварки) изменяется от 1,6 м/ч при электродуговой ручной сварке, до 80—200 м/ч при автоматической под слоем флюса, расход газа от 0,8— 12,5 л/мин при газовой сварке, до 4—31 л/мин при газоэлектрической. То же можно сказать и о других показателях.

При производстве ремонтных работ в условиях мелкосерийного производства коэффициент загрузки сварщика составляет 0,3—0,4, а в условиях массового производства при использовании современных технологий тот же коэффициент возрастает до 0,7-0,8.

Дата добавления: 2014-01-07