Сварка специальных материалов

Лекция 1

Сварка специальных материалов.

Является основной частью технологии сварки материалов.

Сварка специальных сталей.

Специальные стали свариваются по особой специальной технологии.

Технология - это совокупность параметров определяющих условия получения доброкачественного сварного соединения. Любой материал сваривается по технологии. Идеальное соединение – металл, которого не имеет никаких отличий от основного металла.

Равнопрочность – прочность сварного соединения не уступает прочности сварного основного металла.

Доброкачественное – имеет характеристики, удовлетворяющие служебным свойствам.

В процессе сварки плавлением обеспечивая получение сварного соединения оказывает очень сильное влияние на свариваемый материал. При неблагоприятном развитии этого влияния может происходить ухудшение свойств металла сварного соединения. Технология сварки, как совокупность параметров, предназначена для того, чтобы ограничить возможное вредное влияние сварки на сварное соединение. При любом способе сварки, сварное соединение имеет 3 зоны сплавления:

1. метал шва

2. термомеханическая зона

3. основной металл

1. Зона, которая в процессе сварки расплавляется и обеспечивает сплавление в определенной пропорции основного и присадочного. Металл шва имеет литую структуру.

2. ЗТВ. Не расплавляется при сварке, но вследствие нагрева происходят структурно-фазовые превращения (рост зерна в ОШЗ, отпуск) которые могут привести к изменению свойств металла сварного соединения.

3. Зона, которая в процессе сварки не меняет своей структуры и свойств. Может измениться напряженное состояние.

Наибольшие изменения характерны для металла шва, в этой зоне металл меняет свое строение. Металл шва – самая опасная зона, там происходят максимальные изменения.

Несоответствие состава может быть т. к. мы умышленно корректировали состав металла шва, чтобы не было горячих трещин (надо уменьшить концентрацию углерода и увеличить концентрацию Mn). Старение металла за счет высокой концентрации N.

Водород может быть причиной («водородная болезнь») снижения пластичности.

Возможно образование пор, из-за О2, Н2, N – вследствие интенсивного выделения газов. Сталь 40 могут быть поры – т. к. получается соединение С + О -> СО – образуется за счет химической реакции, в обычных условиях всегда в своей доли есть О2, он будет вступать в реакцию с активным элементом, а углерод при высоких температурах является самым активным. Чтобы не было пор, вводят Si и Mn, они более активны, чем С и реакция С + О подавляется.

В металле шва может происходить засорение неметаллическими включениями, которые образуются из-за развития определенных металлургических процессов окисления Si, Mn.

FeO + Si = SiO2 + Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

Металл шва может быть источником дефекта, как непровар, не правильно выбран режим сварки. Может иметь не правильную форму перехода наплавленного металла к основному, тоже является концентратором. Может быть источник наплывов (концентратор напряжений), подрезов, несплавлений.

Литая структура – высокая степень химической неоднородности, физическая и структурная неоднородность.

Закалка + отпуск не устраняет литую структуру, и только диффузионный отжиг Т=1200оС, t=4 ч рассасывает литую структуру.

Зона термического влияния – металл не плавится, состав не меняется, но возможно изменение структуры, которое может привести к изменению свойств.

Лекция 2

Технология сварки определяется выбором способа сварки. В понятие параметров входит:

1.  Конструкционное оформление свариваемых кромок – определяется типом сварного соединения, наличием или отсутствием разделки (зависит от способа сварки).

2.  Режим сварки (Iсв, Uд, Vсв), может быть Тподогрева

РДС – параметры режима – Iсв

АДСФ – Iсв, Uд, Vсв

3.  Сварочные материалы – электрод (марка выбирается по типу), флюс, проволока, газ.

4.  Последовательное выполнение сварного шва (многослойная и многопроходная)

5.  Последняя после сварки обработка шва (термическая обработка). Устранить неприятное воздействие сварки и получить конечные свойства металла.

Специальная технология – имеет отличие от обычной технологии в следующем.

1.  специальная технология может содержать все параметры обычной технологии.

2.  специальная технология может предполагать наличие дополнительных параметров которых нет в обычной технологии.

Специальная технология применяется при сварке металлов, которые имеют повышенную чувствительность к процессу сварки, т. е. металлы у которых возможны более серьезные изменения структуры и свойств по отношению с основным металлом.

Специальные стали – стали, которые имеют специальные свойства, за счет особого химического состава или за счет особого способа обработки металла до сварки или за счет особого способа производства данного металла. Для отнесения металла к специальным, достаточно наличие одного из условий. Наиболее высокий комплекс свойств обеспечивается при (выполнении) использовании всех (свойств) трех условий.

Наибольшее распространение для получения специальных сталей находит применение использование особого химического состава. Все специальные стали – это легированные стали. Номер стали означает тенденцию к увеличению содержания углерода.

Кп – плохо раскислена. В качестве раскислителей используется в ст3кп – Mn и Si, Si – выгорает полностью, Mn – частично остается.

Ст3пс – остается Si и Mn

Ст3сп – раскислитель Ti и V, Si и Mn остаются в осадке и не выгорают.

Легированная сталь отличается от обычной не фактом отсутствия или наличия тех или других элементов, а тем, что в легированных сталях, легирующие элементы вводятся преднамеренно и их концентрация контролируется по min и max, и в результате их наличия обеспечивается изменение свойств.

Специальные свойства.

Низкоуглеродистая сталь – это хороший конструкционный материал.

Gв = 45-50 кг/мм2

Gт = 20-25 кг/мм2

Имеет хорошие параметры по нагруженному режиму.

Специальные свойства – это те свойства которые превышают обычные свойства.

Нет специальных сталей которые являются универсальными, их можно использовать во всех областях. Есть стали хладостойкие оС, жаростойкие, жаропрочные.

По коррозионным свойствам: окаменостойкие, коррозионностойкие, нержавеющие (10Х18Н10Т) – малая скорость коррозии в обычных условиях.

Теплоустойчивые – высокая сопротивляемость механическому воздействию, при эксплуатации Т = 400-600оС – низколегированные стали.

Жаропрочные стали – сохраняют высокий уровень механических свойств при Т = 600-900оС

Жаростойкая – имеют высокую сопротивляемость газовой коррозии при высокой температуре (не окисляется, не коррозирует при высоких температурах), но имеют низкую механическую прочность.

Условия применения специальных сталей.

Специальные стали, все без исключения являются дорогими. Технология изготовления сварных конструкций из них является более дорогой и трудноосуществимой, поэтому специальные стали можно применять при выполнении следующих условий:

1. если в результате их применения повысятся технико-экономические показатели изготовления конструкции.

2. если в результате использования специальной стали улучшатся технологические свойства, т. е. (улучшается) отличается технология изготовления.

3. специальные стали применяются в том случае, если удается решить имеющуюся техническую проблему.

Лекция 3

Классификация сталей.

I. по назначению

1.1. машиностроительные стали (возможность работы при вибрационных нагрузках)

1.2. строительные стали (свариваемость должна быть лучше)

1.3. стали со специальными свойствами

1.  Конструкционные стали (основной свариваемый материал)

2.  Инструментальные стали – изготовление инструментов
При изготовлении комбинированного режущего инструмента (за счет наплавки)

3.  Стали с особыми физическими свойствами, например стали не магнитные, с нулевым расширением, с памятью.
Для изготовления деталей физический приборов.

По качеству

1.  Обыкновенного качества (Сталь 3) Р, S = 0,04-0,05

2.  Качественные (Сталь10, Сталь20,30,40) Р = 0,075

3.  Особовысококачественные (30ХГСН2А) сталь которая подвергнута особой обработке по улучшению качества в плане состава Р, S = 0,017-0,018

Качество – это комплексная характеристика. Чем качественнее сталь тем меньше концентрация газов N, Н. Концентрация не металлических включений параметр характеризующий качество – оксиды, сульфиды, фосфиды, и д. р., есть стали у которых прочность обеспечена дисперсным упрочнением. Однородная структура – параметр качества – размер зерна, чем качественнее сталь тем мельче зерно(влияет на хрупкое разрушение). Чем выше качество стали, тем труднее получить качественное сварное соединение. Идеальное сварное соединение, когда метал шва соответствует основному металлу.

По химическому составу

1.  Углеродистые – основной элемент, определяющий свойства это углерод, Cr, Ni, Cu и д. р. до 2,5%.

СУС – применение ограничено, для изготовления сварно-литых конструкций. С увеличенным содержанием С увеличивает литейные свойства.
Сталь прочная 70-90 кг/мм2 , но обладает плохой или ограниченной свариваемостью, металл шва получается с плохими свойствами. Изготовление сварных деталей, но не сварных конструкций.

2.  Легированные стали – легирующие элементы вводятся преднамеренно в заданном кол-ве и обеспечивают получение отличных свойств.

2.1  НЛС

2.2  СЛС

2.3  ВЛС

НСЛ – при характеристике применяется 2 параметра

1.  Содержание легирующих элементов < 2,5%

2.  Содержание легирующих элементов < 5%

В зависимости от содержания С делятся.

2.1  НЛ-НЛС 0,18-0,23% С

2.2  НЛ-СУ 0,19-0,28%

2.3  НЛ-ВУ 0,28-0,40%

СЛС – суммарное содержание легирующих элементов от 5 до 10 %.
В зависимости от содержания С.
СЛ – (НУ, СУ, ВУ)

ВЛС – суммарное содержание легирующих элементов > 10% и максимальное содержание < 55%. Если содержание легирующих элементов >55%, то это не сталь, а сплав.
В зависимости от содержания С.
НУ < 0.15%
СУ 0,16-0,24%
ВУ 0,25-0,40%

Структура стали

Если сталь в равновесном состоянии, то сталь бывает

1.  Доэвтектоидные

2.  Эвтектоидные

3.  Заэвтектоидные

Широкое распространение при классификации получила структура получающаяся в процессе нормализации т. е. в неравновесном состоянии.

1.  Перритными

2.  Мартенситными

3.  Ферритными

4.  Аустенитными

5.  Ф+М

6.  Б+М

7.  П+А

8.  П+Ф

1 группа спец. Сталей - Качественные углеродистые стали.

Это Стальдля сварки до сталь 45)
Сталь 15Г 25Г 40Г.. 70Г

К этой группе относят стали 15К 20К 22К – имеют неск. отличные свойства, используются при Т<450, основной легирующий элемент С.

Для изготовления сварочных конструкций применяются НУС с С < 0.2%.
СУС применяются ограниченно из-за плохой свариваемости.
Чем выше содержание С тем выше прочность, С очень мощный упрочнитель стали. Если нужна высокопрочная сталь - используются углеродистые стали.
Кипящая сталь – самая дешевая, обладает высокой склонностью к старению.

Трудности при сварке: по сравнению с обычными сталями трудности по сварке имеют стали типа

При сварке СУС имеется высокая вероятность образования горячих трещин, причина – высокая концентрация С. Трещины в основном появляются в шве. Содержание С выше критичного содержания С.

Положительным фактором является отношение Mn к S, т. к. Mn связывает S в MnS, что является оптимальным. При сварке происходит химическая реакция MnS+Fe=FeS+Mn. FeS Тпл=988C – склонность к образованию трещин, чтобы повысить стойкость против образования горячих трещин необходимо повысить содержание Mn. При С=0,8% возможно отсутствие тещин при минимальном значении Mn/S.

С повышением концентрации С образование горячих трещин можно предотвратить при увеличении отношения Mn/S. При С=0,15 – образуются трещины (при любом значении Mn/S).

На стали 30,40,45 требуются специальные меры чтобы предотвратить образование гор трещин.

1.  Ограничить концентрацию С в металле шва – является универсальным т. к. делается всегда. Для этого применяют сварочные материалы с пониженным содержанием С например сталь 15Х, 20Х + проволока СВ08А, но для повышения эффективности этого приёма одновременно нужно увеличить долевое участие присадочного металла в формировании шва, если это не сделать то применение сварочных материалов с пониженным содержанием С не всегда дадут результат. Понижая концентрацию С в зоне шва никогда нельзя забывать о том что С носитель прочности металла шва. Если концентрация С будет чрезмерно низкой то трещин не будет но прочность будет ниже по сравнению с основным металлом. Возможность понижения прочности металла шва увеличивается при сварке СУС.
Для решения проблем горячих трещин применяют и другие методы, которые не предполагают понижение С.

2.  Дополнительное легирование металла шва Mn.
MnS тугоплавкое соединение Тпл=1600С. т. е. в жидком состоянии металла S бывает находиться в твердом состоянии, поэтому инт. хрупкости будет мал. Эффект легирования шва Mn не будет гарантирован.

3.  Обеспечить оптимальную форму провара шва или схему кристаллизации металла шва. Форма провара должна быть оптимальной если это не так, то кристаллизация приводит к зональной ликвации.
Регулируя форму провара можно исключить трещины при С=0,22%. При неблагоприятной форме провара трещины могут возникнуть при меньшем содержании С. При наплавке трещины возникают редко, стойкость высока.
Особенно серьёзна проблема с образованием горячих трещин при выполнении корневого шва при многослойной многопроходной сварке, форма провара не оптимальная, остальные слои выполняются в более оптимальных условиях, по сравнению с корнем шва. Чтобы обеспечить стойкость против горячих трещин в корневом шве нужно применять U образную разделку кромок.
Форма провара определяется выбором параметров тока и напряжения если их регулировать нельзя, то можно применить поперечные колебания.

4.  Применяют подогрев. Подогрев оказывает положительное влияние вследствие уменьшения темпа нарастания внутренних деформаций, в температурном интервале хрупкости.
Внутренние деформации L=Lн-Lсв
Lсв = αт*Т – свободная деформация – изменяя подогрев.

Подогрев ум-т Vохл при кристаллизации способствуя, развитию химической неоднородности – это вредное, отрицательное действие.

Для Ну – (1); (3) – высокая степень хим. неоднородности; (2) – СУС.

Когда все перечисленное является не эффективным прибегают к более сложным мерам, требуется более серьезное воздействие на жидкий металл сварочной ванны, на условии ее кристаллизации, эти меры предусматривают дополнительное воздействие на кристаллизующийся металл шва.

1 Проводят модифицирование литой структуры, это возможно, если принципиально изменится характер кристаллизации металла шва. В естественных условиях кристаллизующийся металл шва имеет последовательный характер. Кристаллизация начинается от зоны сплавления и заканчивается в шве. Если дополнительно воздействовать то кристаллизация приобретает объемный характер, кристаллизация происходит по всему шву.

Дополнительное воздействие это - :

искусственное замораживание сварочной ванны – в хвостовую часть ванны вводят определенное количество холодного металлического порошка. Железный порошок обеспечивает снятие перегрева и является центр. кристал. электромагнитное перемешивание жидкого металла сварочной ванны – вводят колебания с определенной частотой. введение в ванну модификатор – элементов, которые являются дополнительными центрами кристаллизации – за счет специальных свойств материалов или получают за счет определенных хим. реакций. Для стали модификатор напр. Ti – получает восстановление из оксида Ti.

TiO2+Fe=FeO+Ti

«Фрис» - флюс CaF2; TiO2 – восстановление Ti через проволоку, модификаторы вводить сложно (окисляются).

При сварки неплавящимся электродом применяют пониженные колебания электрода, определенной частоты, амплитуды, они должны обеспечивать изменение положения изотермы ванны. Если частота будет большой, то перемещение ванны не будет. При сварки плавящимся электродом это обеспечить невозможно.

введение в хвостовую часть сварочной ванны дополнительного присадочного ме такого состава, при котором в центральной части шва образуется ме с оптимальным хим. составом.

Проблема образования холодных трещин

Особенно высока эта проблема для сталей с повышенным содержанием углерода

При Wо≥60 – чистый М. Образование х. трещин связанно с наличием трех основных факторов:

1.  силовой – уровень остаточных св. напряжений 1 рода – всегда имеют место вследствие того, что на стадии нагрева ме испытывает пластические деформации.

2.  структурное состояние ме (наличие М) – для образования х. трещин достаточно 30-35% М.

Диаграмма Ст35

3. концентрация Н2 в ме шва - наличие растворенного в ме шва Н.

Х. трещины есть следствие замедленного разрушения закаленной стали. Если сваренный образец после сварки нагрузить величиной Р и выдержать, то наблюдается потеря прочности в процессе выдержки, в результате этого образуются х. трещины. При сварки СУС для образования х. трещин достаточно наличия первого и второго факторов, т. к. на СУС образуется хрупкий малопластичный М и образование х. трещин наблюдается при мин концентрации Н2.

Изменение концентрации Н2 при сварки СУС не является эффективным способом для предотвращения х. трещин

Если образовавшийся М является пластичным, а это при пониженном содержании С, то регулированием концентрации М можно решить проблему х. трещин.

Х. трещины – дефект недопустимый. Трещина это концентратор напряжения, и ее роль как концентратора особенно велика, когда материал при эксплуатации находится в хрупком состоянии.

Х. трещины менее распространенный дефект, он образуется чаще всего в закалочных сталях.

Х. трещины, как правило, возникают в ЗТВ (ОШЗ), в шве возникают сравнительно редко, они образуются, когда металл шва идентичен свариваемому металлу.

Х. трещины в металле шва являются редким явлением, как правило, мет шва менее легирован, чем осн. металл.

Способы повышения стойкости против образования х. трещин

Для СУС:

любая технология сварки этих сталей должна быть низководородистой, т. е. обеспечивать мин концентрации водорода, т. е концентрация Н2<2-2,5 мл на 100гр металла. Для этого необходимо применять сварочные материалы, содержащие ограниченно газообразующих компонентов; ограничить поступление в сварочную зону влаги; тщательная зачистка кромок от ржавчины и смазок регулирование уровня остаточных напряжений первого рода - последовательность сварки должна обеспечивать возможность кристаллизации сварочной ванны в условиях возможной кристаллизации свободной усадки. наиболее распространенным способом является регулирование структуры металла свободного соединения – исключить возможность образования закалочных структур (идеальное решение)

Для предотвращения хол. трещин нужно исключить мартенсит, для этого можно:

уменьшить погонную энергию, при увеличении погонной энергии можно добиться необходимого эффекта, если погонная энергия исключает возможность образования м.

Т – температура наименьшей устойчивости аустенита

Wо – можно регулировать погонной энергией q/V.

2. применение подогрева.

Идеальный термический цикл может быть обеспечен при ма лых погонных энергиях и применении сопутствующего подог рева, его исполнить сложно. Применяется для сталей, которые стабильно при любой температуре дают мартенсит

3.Предварительная обработка свариваемого металла (термическая) с целю получения структуры устойчивой к сварочной термическому циклу. Такой структурой считается структура, которая сохраняет мелкое зерно в ОШЗ, и хим. Неоднородное зерно А. При такой структуре при последовательном охл. А неустойчив и наблюдается распад А при более высокой Т, в результате этого исключено образование М или создается условия для самоотпуска М. Фактическое влияние исходной структуры на закалочные структуры (образование хол. трещин) установлен сравнительно давно. Применением такой структуры является – структура зернистого перлита (П), ее поучают в режиме длительной выдержки (30 часов) в интервале Т=Ас3-Ас1. Данный способ повышает стойкость против образования хол. трещин может быть использовать только в специальном производстве (очень дорогой).

Для решения проблемы холл. трещин в ОШЗ можно применять способ на основе оптимизации химического состава металла шва. Для повышения стойкости против образования х. трещин в ОШЗ можно применять сварочные материалы, обеспечивающие получение более легкоплавкого ме шва.

Если ме шва более тугоплавкий, то стойкость против

х. трещин мин. Если использовать для сварки сварочные

материалы с более высокой Тпл, чем ос. ме, то

кристаллизация начинается в ме шва или св ванне.

При кристаллизации ткгоплавкого ме выделяется

скрытая теплота и происходит, дополнит. расплав.

зоны сплавления, что повышает степень хим. неоднородности

и х. трещин. Если ме шва более легкосплавный то кристаллизуется сначало ме шва, и ОШЗ имеет более благоприятную структуру. Были разработаны электроды М-17.

Для решения проблемы г. трещин в ме шва рекомендуется низкая концентрация углерода, а углерод элемент который понижает Тпл ме шва.

Проблема образования пор

Менее опасны, чем трещины.

Поры – невсплывшие газовые пузырьки.

Причина: интенсивное выделение газов на этапе кристаллизации ме.

Газы: 1) растворенные в жидком ме - при переходе ме из жидкого состояния в твердое уменьшается растворимость газов в твердой фазе: N2, H2, O2 (в меньшей степени).

2) легко испаряющиеся элементы.

3) газы, которые образуются в результате определенных химических реакций в процессе кристаллизации.

На НУ качественных сталях причинами образования пор могут быть N2, H2.

Проблема пор, вызываемая N2 решается, обеспечением качественной защиты зоны сварки от воздуха.