Конспект, страница 2

Ударная вязкость

при - 196⁰С 0,5 2,3 8,0 12,0

к гс/см²

Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10 и 12Х18Н20 при температуре –200⁰С обладают ударной вязкостью в пределах 18 – 22 кгс/см², при температуре –250⁰С 15 – 20 кгс/см² (150 – 200 Дж/см²). Для металлоконструкций в северном исполнении порог хладноломкости основного металла и сварных соединений должен находиться в интервале от –60 до –80⁰С, а для металлоконструкций криогенного машиностроения в интервале от –80 до –270⁰С.

Тема 2. Сварка углеродистых низколегированных сталей и чугуна.

Стали, используемые для сварных конструкций, делятся на конструкционные (углеродистые, низколегированные, среднелегированные, в том числе теплоустойчивые и высокопрочные) и стали с особыми физическими свойствами (высоколегированные, жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие, или так называемые нержавеющие).

Конструкционные углеродистые стали.

Основной элемент – С 0,06 – 0,9 %. Fe и С в жидком состоянии обладают полной взаимной растворимостью. В твердом состоянии растворимость С в Fe очень ограничена. Различают три вида твердых растворов С в Fe: феррит, аустенит, - феррит. Растворимость С во всех модификациях Fe зависит от температуры. Например, феррит может содержать до 0,02% (при t = 723⁰С), а при комнатной температуре - 0,006 % С. наибольшее количество С растворимо в аустените: при 723⁰С – до 0,8 %; при 1130⁰С до 2 %. В углеродистых сталях присутствуют также постоянные примеси, их количество не превышает 0,8 %Mn; 0,35 % Si; 0,04 % P; 0,05 % S; 0,05 % O₂,H₂ и N. Случайные примеси – 0,3 % Cu, Ni, 0,08 % As (мышьяк).

Для сварных конструкций применяется сталь марок В Ст 2 и В Ст 3.

Обозначения:

В – группа углеродистых сталей поставляемых по механическим свойствам и химическому состоянию. Сталь марки Ст 3, выплавляемая как полуспокойная может содержать 0,4 – 0,65 % Mn и повышенное 0,8 – 1,1 % Mn. Обозначение Г также используют для сварных конструкций.

Особенности сварки углеродистых оцинкованных сталей

алитированных сталей.

Для защиты металлоконструкций от атмосферной коррозии все более широко используются оцинкованные и алитированные стали (покрытые алюминием) конструкционные. Применяются горячие и гальванические способы покрытия. Из сталей с защитными покрытиями обычно сваривают такие конструкции, как резервуары, трубопроводы, опоры линии электропередачи, мосты и т.д.

Сварка оцинкованного металла. При горячем цинковании (погружением металла в расплавленный цинк) толщина покрытия увеличивается с повышением толщины металла и может изменяться в пределах 25 – 100 мкм.

Вследствие низкой температуры кипения (около 900⁰С) цинк при сварке интенсивно испаряется. Частично он усваивается плавящимся металлом, а частично попадает в состав сварочного аэрозоля. Попавший в сварочную ванну цинк способствует образованию пор в швах в связи с высокой упругостью паров цинка, а также способствует образованию горячих трещин в связи с низкой температурой плавления цинка и образованием легкоплавких межкристаллитных прослоек в процессе кристаллизации швов. Кроме того пары цинка токсичны, что вызывает необходимость использования мощной местной вентиляции.

Чтобы избежать образования дефектов технология сварки и сборки предусматривает:

Перед сборкой под сварку кромки пластин следует очищать от покрытия.

Удалять можно механически – строганием или абразивной обработкой или нагревом газовой горелкой. Однако следы цинка остаются.

Для предупреждения образования пор в швах, сборку стыковых и тавровых соединений производят с зазором в 1,5 – 2 раза превышающем зазор при сварке металла без перекрытия. Лучшие результаты при ручной дуговой сварке обеспечивают электроды с рутиловым покрытием, а при полуавтоматической – сварка в струе CO₂ проволокой Св – 08Г2С. Сварку рекомендуется производить с колебаниями электрода вдоль шва (для более полного испарения цинка). В связи с этим скорость сварки однослойных швов снижается на 10 – 20 %. Для повышения стойкости против образования трещин рекомендуется снижать содержание кремния в шве.

Для сварки оцинкованной стали, применяют ручную дуговую сварку, полуавтоматическую в углекислом газе или без применения дополнительной защиты. Режимы сварки зависят от свариваемого металла и применяемой проволоки или электродов. Лучшие результаты при ручной дуговой сварке обеспечивают электроды с рутиловым покрытием, обеспечивающим минимальное содержание кремния в металле шва.

Например, при ручной сварке штучными электродами оцинкованной стали толщиной 3 мм применяют рутиловые электроды диаметром 3,25 мм для стыковых и тавровых соединений J_св, А – 110 – 125 А; ток переменный, рутиловые электроды диаметром 2,5 мм J_св – 90 А; ток переменный. При полуавтоматической сварке в углекислом (СО₂) газе применяют проволоку Св – 08Г2С.

Например, Св – 08Г2С диаметром 1 – 1,2 мм углекислый газ, стыковое, тавровое соединения. J_св110 – 150 А; V_д – 19 – 20 В, полярность обратная.

Металл толщиной до 3 мм сваривают встык в один проход без разделки кромок, толщиной 6 – 13 мм при V – образной заделке кромок многослойными швами. Механические свойства металла шва такие же, как при сварке стали той же марки без покрытия.

После окончания сварочных работ по поверхности швов и околошовных зон наносится защитный слой краски, состоящей из цинковой пыли и связующего, например, эпоксидной смолы. В качестве защиты от коррозии применяют покрытия на основе эпоксидно-полиамидных смол с цинковой пылью или алюминия и цинка. Наибольшее распространение получило горячее или гальваническое цинкование, обеспечивающее максимальную коррозионную устойчивость.

При горячем цинковании толщина покрытия увеличивается с повышением толщины металла и может изменяться в пределах 25 – 110 мкм. Например, при толщине металла

1,6 мм – покрытие 50 мкм

3,6 мм – 85 – 90 мкм

6,5 мм и более – 100 – 110 мкм

Сварка алитированного металла. Процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали алюминием. Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах. Наиболее распространена жидкая диффузионная металлизация – процесс погружения детали в расплавленный металл.

Попавший в металл шва алюминий может снижать его вязкость и перемещать порог хладноломкости в область положительных температур. В связи с этим для дуговой сварки рекомендуется использовать электроды и порошковую проволоку с основным (фтористо-кальциевым) покрытием и сердечником, обеспечивающие наиболее высокие механические свойства швов. Сварка алитированной стали обеспечивает должное качество соединения при толщине покрытия до 100 мкм. После сварки металл шва должен быть снова покрыт алюминием. В этом случае используются краски, содержащие алюминиевую пудру.

Одним из основных свойств алитированных сталей является высокая жаростойкость. Поэтому жаростойкие детали для рабочих температур до 1000 – 1100⁰С изготавливают из простых углеродистых сталей с добавлением алитированного слоя.

Сварка теплоустойчивых перлитных сталей типа 15 ХМ и 15Х1М1Ф.

Теплоустойчивыми называют стали, предназначенные для длительной работы в интервале температур 500 – 600⁰С.

Химический состав: С, FeCr,Mo, V.

Стали низко и среднелегированные.

Эти стали используются для изготовления энергетических и нефтехимических установок. В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали должны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Они способны сохранять механические свойства при эксплуатации до 600⁰С. Поскольку детали котельных установок работают длительное время без смены (десятки тысяч часов) и не должны за это время заметно подвергаться деформации, по предел ползучести является для них основной характеристикой. Теплоустойчивость этих сталей обусловлена тем, что легирование Cr, Mo приводят к тому, что значительная доля этих элементов находится в твердом растворе, т.е. феррите. Легирование феррита вызывает его упрочнение и затрудняет процесс диффузии при повышенных температурах, что определяет устойчивость свойств при нагреве. Сохранность свойств стали также зависит от легирующего элемента.

Перечисленные свойства достигаются применением хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей перлитного класса. Хромомолибденовые стали 12МХ, 15ХМ с феррито – перлитной структурой используют для работы при 500 – 550⁰С, а хромомолибденованадиевые стали 12Х1МФ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ для работы при 550 – 600⁰С. Более высокие жаропрочные свойства хромомолибденованадиевых сталей обусловлены не только стабилизацией карбидной фазы ванадием, но и применением упрочняющей термической обработки на бейнитную структуру.

При сварке плавлением металлургическая свариваемость теплоустойчивых сталей не вызывает существенных осложнений. Что касается тепловой свариваемости, то здесь возникает ряд осложнений:

1. Образование метастабильных закалочных структур в участках околошовной зоны, нагретых выше температуры А_св. образование хрупких структурных составляющих (тростита, мартенсита) может привести к возникновению холодных трещин в сварных соединениях. Для предотвращения их образования сварку следует выполнять с сопутствующим подогревом свариваемых изделий до 150 – 300⁰С в зависимости от химического состава свариваемой стали и толщины соединяемых элементов.

2. Равноупрочнение свариваемого металла в околошовной зоне, в участках, нагретых в интервале температур А_св – температура отпуска стали. В результате равноупрочнения длительная прочность сварных соединений может быть резко снижена. Снижение длительной прочности сварных соединений по сравнению с основным металлом зависит от характера термического цикла сварки, степени упрочнения стали термической обработкой и структурной ее стабильности. Для уменьшения степени равноупрочнения стали, в зоне термического влияния, сварку рекомендуется осуществлять на жестких режимах (малых погонных энергиях) и не использовать слишком высокую температуру подогрева деталей перед сваркой. Это будет способствовать уменьшению времени пребывания металла в околошовной зоне. Коэффициент теплоустойчивости сварных соединений (т.е. отношение длительной прочности сварных соединений к длительной прочности основного металла) для нормализованной и отпущенной стали 15Х1М1Ф при ручной и автоматической сварке составит 0,8 – 0,9, а для закаленной и отпущенной стали 12Х1МФ – 0,7.

3. Возможность развития в зоне сплавления сварных соединений при длительной их работе в условиях высоких температур диффузионных процессов и, в частности, миграция углерода из основного металла шва или наоборот. Это явление приводит к возникновению низкопрочных ферритных прослоек и наблюдается даже при небольшом различии в легировании основного металла и металла шва (например, сталь 12Х1МФ – шов 10ХМ1БФ).

В связи с этим сварочные материалы выбирают в строгом соответствии с маркой свариваемой стали, например,

Сталь 12МХ, электроды Э-09МХ, сварочная проволока для АДС марки Св-08МХ;

Сталь 15Х1М1Ф, электроды Э-08Х1МФ, сварочная проволока для АДС марки Св-08ХМФ.

Для РДС в большинстве случаев используют электроды с основным (фтористо–кальциевым) покрытием, а для АДС флюсы АН-22, ФЦ-11, ЗИО-Ф2 с пониженным содержанием окислов марганца и кремния. Сварные соединения теплоустойчивых сталей и обеспечивают эксплуатационной надежности без термической обработки после сварки ввиду структурной неоднородности и наличия остаточных сварочных напряжений. С увеличением содержания хрома, молибдена, ванадия и других элементов, повышающих стойкость сталей, температура отпуска и время выдержки должны увеличиваться. Особую опасность представляет недостаточный отпуск сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей в связи с возможностью дисперсионного затвердения, вызванного выпадением в металле околошовной зоны карбидов ванадия.

Сварка среднелегированных сталей.

Сварка хладостойких никелевых сталей.

Среднелегированные стали – это стали, легированные одним или несколькими элементами при сумме их содержания 2,5 – 10%.

Группа среднелегированных сталей предназначена для работы при температурах до –196⁰С. Это стали криогенной техники, для машин и оборудования, предназначенных для получения, перевозки и хранения сжиженных газов и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения:

Кислород – 183⁰С

Азот – 196⁰С

Неон – 247⁰С

Водород – 253⁰С