Глава 6 технология сварки среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей

Среднеуглеродистые стали используются для изготовления сварных конс-трукций значительно реже, чем низкоуглеродистые. Основная область их приме-нения - детали машин и механизмов в машиностроении, судостроении и других областях, например гидроцилиндры, зубчатые колеса и др. Необходимость их сварки воз­никает при изготовлении и ремонте. Наиболее распространены следу-ющие марки: стали обычного качества - Ст4, Ст5; качественные - сталь 30; сталь 35; сталь 45. Содержание углерода колеблетсяв пределах 0,26-0,45 %, временное сопротивление на разрыв σ_в= 420-600 МПа. Химический состав некоторых сталей приведен в табл.6.12.

Таблица 6. 12. Химический состав срсднсуглеродистых сталей

 

	Марка стали	Ст4СП	Ст5СП	Сталь 30	Сталь 35	Сталь 40
Содержа-ние эле-мента, %	углерод	0,18-0,27	0,28-0,37	0,27-0,35	0,32-0,40	0,37-0,45
марганец	0,4-0,7	0,5-0,8	0,5-0,8	0,5-0,8	0,5-0,8
кремний	0,12-0,3	0,15-0,35	0,17-0,37	0,17-0,37	0,17-0,37

 

Высокоуглеродистые стали для изготовления сварных конструкций не при-меняются. Необходимость их сварки возникает обычно при ремонте.Повышенное содержание углерода значительно затрудняет сварку этой группы сталей из-за низкой стойкости шва к образованию кристаллизационных трещин, образования при сварке малопластичных закалочных структур, сложности обеспечения равно-прочностиметалла шва с основным металлом и др. На рис. 6.3 показано соотношение структурных составляющих шва для стали 35 в зависимости от скорости его охлаждения.

Рис. 6.3. Диаграмма соотношения структурных составляющих сварного шва стали 35 в зависимости от скорости охлаждения

Из диаграммы видно, что область пластичной ферритной структуры по сравнению с низкоуглеродистыми сталями резко уменьшена. Основу металла шва составляют перлитная, бейнитная и мартенситная составляющие. Причем двадцатипроцентное содержание мартенсита, считающееся достаточным для образования трещин, достигается при скоростях охлаждения ω_охл~7-10°/ с, что в 10-15 раз ниже, чем для низкоуглеродистых сталей. В связи с этим при сварке среднеуглеродистых сталей получить качественное соедине­ние без применения специальных технологических приемов очень сложно.

Основными технологическими мероприятиями, применяющи­мися при сварке среднеуглеродистых сталей, являются следующие.

1. Предварительный подогрев свариваемых кромок. Подогрев кромок, выполненный до сварки, позволяет уменьшить отвод тепла в изделие после сварки и таким образом снизить скорость охлаж­дения шва. Температура предва­рительного подогрева выбирает­ся в зависимости от содержания в стали углерода. График, показы­вающий соотношение между тем­пературой предварительного по­догрева и содержанием углерода, приведен на рис. 6.4.

 

Рис. 6.4. Соотношение между темпе­ратурой предварительного подогрева и содержанием углерода, при кото­ром возможно образование трещин в шве

 

Предварительный подогрев является достаточно эффективным спосо-бом регулирования термического цикла сварки и как правило, позволяет избежать трещин. Однако он не удобен в исполнении, увеличивает трудоемкость и энергоемкость работ, ухудшает условия работы сварщика, поэтому при наличии возмож­ности избежать образования трещин другими способами его стараютсяне применять.

2. Уменьшение содержания углерода в сварном шве. Обычно это дос-тигается соответствующей подготовкой кромок перед свар­кой. При сварке шов формируется за счет сварочной проволоки и основного металла. Из рис. 6.5 следует, что при разделке кромок для наплавленного металла γ_н в металле шва возрастает.

 

 

Рис. 6.5. Схема формирования шва без разделки и с разделкой кромок

Известно, что проволока илистержень электрода содержит углерода около С=0,08 %(Св08А; СвО8Г2С и т.д.). Сталь же содержит углерода С= 0,26-0,45 %. В связи с этим при увеличении γ_н содержание углеродав шве уменьшается, поэто-му при сварке среднеуглеродистых сталей рекомендуется делать разделку кро-мок в любом случае, дажепри небольшой толщине свариваемого металла.

3. Рациональный выбор сварочных материалов. Сварочные материалыдолжны обеспечивать максимальную пластичность металла шва. Это достигается применением электродов с основным покрытием. Обычно для сварки среднеуглеродистых сталей рекомендуются электроды УОНИ13/45, УОНИ13/55. Тип электрода или марка проволоки должны содержать в обозначении букву А, что свидетельствует о пониженном содержании серы и фосфора, на­пример тип электрода Э46А; проволока СвО8А, СвО8ГА. По этой причине способы сварки покрытыми электродами и под флюсом болеепредпочтительны, чем сварка в СО₂, так как обеспечивают большую пластичность шва.

4. Рациональный выбор режимов сварки. Сварку среднеуглеродистыхсталей рекомендуется выполнять электродами или проволокой меньшего ди-аметра и при меньшей силе тока по сравнению со сваркой низкоуглеродистых сталей. Во-первых, это уменьшает глубину проплавления и снижает пе-ремешивание основного и наплав­ленного металла, что в свою очередь уменьшает вероятность попа­дания углерода из основного металла в металл шва. Во-вторых, при малых токах идет более интенсивное восстановление марганца и кремния из окислов, что обеспечивает их более высокое содержа­ние в шве. Это позволяет в большей степени компенсировать сниже­ние прочности шва, вызванное уменьшением углерода, и достичь равнопрочности сварного соединения с основным металлом.

5. Выбор рациональной формы шва. Форма сварного шва также влияет на стойкость металла против образования кристаллизацион­ных трещин, что связано со спецификой роста кристаллов в швах различной формы (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Особенности кристаллизации шва при различнойего форме

 

Кристаллы растут, как правило, в на­правлении, противоположном тепло-отводу, который в свою оче­редь идет перпендикулярно линии сплавления. В центре узких и глубоких швов образуется ослабленная зона, характеризую-щаяся повышенным содержанием серы и фосфора. Эти элементы имеют низ-кую температуру плавления и затвердевают позже стали, поэто­му, находясь длительное время в жидком виде, они сдвигаются рас­тущими дендритами в центр шва, где под действием растягивающих напряжений весьма вероятно образование трещин. В швах, име-ющих более высокий коэффициент формы (y = ) растущие дендриты способствуют выходу легкоплавких эвтектик на поверхность, что увеличивает стойкость против образования трещин. Очень ши­рокие швы имеют слоистое строение. Границы отдельных дендритов пер-пендикулярны силе, действующей на шов при кристаллиза­ции, что уменьшает их сопротивление растяжению. Поэтому стой­кость против образования трещин у швов, имеющих большое значе­ние y, снова снижается. График, показываю-щий зависимость стойкости швов по отно­шению к трещинам от коэффициента формы и содержания в шве уг­лерода, приведен на рис. 6.7.

Рис.6.7. Зависимость стойкости металла против образования кристаллизаци­онных трещин от формы шва

 

В общем случае при сварке среднеуглеродистых сталей реко­мендуются швы сболее высоким коэффициентом формы, чем для низкоуглеродистых сталей.

6. Термообработка сварного шва. Для ответственных сварных конструк-ций, к которым предъявляются высокие требования по пластичности сварного соединения, целесообразно проведение сразу после сварки термообработки. Обычно проводят высокотемпературный отпуск, который позволяет снять внут-ренние напряжения в сварномшве и околошовной зоне.

Как уже отмечалось, высокоуглеродистые стали относятся к плохосвари-ваемым. Равнопрочность основного металла и металла шва получить не удает-ся. Склонность к образованию трещин очень высокая.Сварка используется только для ремонта. Все мероприятия, применяемые для среднеуглеродистых сталей, подходят и для высокоуглеродистых. После сварки рекомендуется вы-полнять отпуск. Затем для восстановления эксплуатационных свойств может проводиться местная термообработка в виде закалки и последую­щегоотпуска.

ГЛАВА 7