Свариваемость металлов
Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации, называется свариваемостью. Свариваемость определяют три группы факторов:
– химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[8], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);
– сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;
– вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.
Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден), способствующие возникновению карбидов.
Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.
Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид:
При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При Сэкв > 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:
Собщ=Сэкв (1+0,005h).
Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.
Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36—044; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45—0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.
Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.
Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать:
Деформации при сварке
Деформации деталей при сварке происходят из-за образования внутренних напряжений. Их причинами являются температурные деформации вследствие местного нагрева, усадка наплавленного металла и фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении (рис. 4).
В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и изгибам элементов конструкции.
Рис. 4. Деформации при сварке:
а – причины деформаций (I – температурная деформация из-за разности температур сварного шва и детали; II – усадка сварного шва при кристаллизации; III – усадка в результате фазовых превращений); б – искривление продольной оси из-за продольного сварного шва или газового реза; в – деформация грибовидной формы из-за усадки сварочного шва; г – усадка трубы от кольцевого сварного шва
Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной возникновения внутренних напряжений.
Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением его объема. У сталей это изменение составляет примерно 1 % объема, что также приводит к образованию внутренних напряжений.
Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно правильным выбором вида сварки и технологии ее осуществления. Например, электродуговая сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, вызывает коробления меньше, чем сварка газовым пламенем, при которой нагревается значительный участок детали. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.
Незначительного снижения коробления достигают, отводя тепло со свариваемого участка путем подкладывания медной пластинки с обратной стороны шва, прикладывания вокруг шва асбеста, смоченного водой, и т. п.
Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 5, а.
Рис. 5. Снижение деформаций изделий:
а – изменением порядка сварки; б – обратноступенчатой вразброс сваркой; в – обратным изгибом деталей перед сваркой
Значительного снижения деформации достигают способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки соединяемых деталей сваривают в последовательности, показанной на рис. 5, б. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, так как деформации коротких швов не могут приводить к значительной деформации всего изделия.
Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». В этом случае соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 5, в). Тогда в процессе сварки они, деформируясь, обретают требуемую или очень близкую к требуемой форму.
Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи различных приспособлений или путем прихватки, т. е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.
На 85–90 % остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций – нагреве до 550–680 °C и постепенном охлаждении на воздухе. При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания остаточные напряжения сохранятся, но будут меньшими по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов и только после этого – окончательную сборку конструкции.
В борьбе с деформациями наиболее эффективны те мероприятия, которые выполнены до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательности сварки.
Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали. Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.
Особенности физических процессов при дуговой сварке
Дуговая сварка протекает при взаимодействии различных сил и внешних факторов. В отличие от горновой (кузнечной) и газовой сварки, здесь важное значение имеют электромагнитные силы, которые следует знать и учитывать для того, чтобы соединение было выполнено качественно.
Свойства сварочной дуги
Для ручной дуговой сварки используют сварочную дугу прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием. Существуют также многоэлектродные дуги, которые применяют в промышленности и при высокотехнологических способах сварки.
По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через нуль 100 раз в секунду, с той же частотой меняет свое положение и катодное пятно, являющееся источником свободных электронов. Ионизация дугового промежутка в этом случае менее стабильна, а сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока. Поэтому для этого вида дуги используют специальные электроды с соответствующим покрытием, которое стабилизирует дугу при пропадании тока.[9]
