Дефекты, возникающие в сварных соединениях при сварке гомогенных аустенитных сталей и способы их предупреждения

Гомогенные аустенитные стали нашли широкое применение в промышленности, особенно в энергетическом и химическом машиностроении. Одной из проблем, возникающих при изготовлении элементов теплоэнергетических, химических и атомных установок, является появление горячих трещин при сварке. В настоящее время разработано большое количество способов, которые позволяют повысить сопротивляемость материала образованию горячих трещин за счет металлургического и технологического воздействия в процессе сварки. Однако такой подход к решению проблемы не всегда эффективен, так как он не учитывает того, что сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке — это свойство материала, которое формируется на всех этапах изготовления сварного изделия, начиная с выплавки и заканчивая сварочной операцией. Поэтому подходить к разработке методов ее повышения более рационально с учетом позиции технологической наследственности — проявления у свариваемого изделия свойств, значимых для формирования сварного соединения и приобретенных в результате специфики организации предшествующих технологических операций при производстве материала, получении заготовки и сборки. Вместе с тем изучение влияния наследственности на технологические свойства металла и выдача однозначных рекомендаций применительно к сварке связаны с большими трудностями, что обусловлено большим количеством определяющих эти свойства взаимозависимых факторов: химический состав основного металла, химический состав электродной проволоки, состав флюса, режим сварки, режим предварительной термической обработки, количество проходов и т.п. Так К. В. Любавский и Ф.И. Пашуканис предложили при многослойной сварке литых сталей для разрушения транскристаллитной структуры перед наложением очередного шва подвергать интенсивной холодной пластической деформации кромки и предыдущий шов, но дальнейшие исследования показали, что предварительную пластическую деформацию можно использовать при сварке не всех аустенитных сталей. Например, предварительная деформация стали 1Х20Н12Т-Л приводила к возникновению при сварке локационных трещин в ОШЗ, что связано, по-видимому, со скоплением легкоплавких примесей по границам зерен в процессе рекристаллизации. В.Н. Земзин, проведя исследования по влиянию предварительной холодной деформации на сопротивляемость образованию локальных разрушений, не обнаружил ее положительного влияния. Однако Ю.И. Казеннов с коллективом авторов предлагают использовать холоднодеформированный с закритической степенью металл для предотвращения возникновения горячих трещин в твердой фазе [10].

В рамках данной работы исследуется влияние холодной пластической деформации на сопротивляемость гомогенных аустенитных сталей образованию кристаллизационных трещин в условиях однопроходной сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов. Тем самым значительно уменьшилось вероятное число факторов изменяемых в процессе исследования и влияющих на это свойство материала, что позволяет надеяться на явное проявление фактора наследственности в этом случае [11].

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Исходные данные согласно заданию

Марка стали: 45Х22Н4М3 Химический состав согласно ГОСТ 5632-14 приведен в таблице 1.

Толщина свариваемых деталей, мм: 10

Масса сварной конструкции, кг: 400

Максимальная длина сварного шва, мм: 300

Соединение стыковое.

Таблица 1 – Химический состав в % материала 45Х22Н4М3

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo
0.4 - 0.5	0.1 - 1	0.85 - 1.25	4 - 5	до 0.03	до 0.035	21 - 23	2.5 - 3

Выбор способа сварки

Сталь 45Х22Н4М3 сваривается любыми возможными способами сварки (плазменной, газовой, электродуговой и т.д.).

Для изготовления сварных конструкций применяют сварку плавлением и давлением. В нашем случае приемлема сварка плавлением: ручная дуговая сварка, электронно-лучевая сварка, полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой, полуавтоматическая сварка в среде защитных газов и под слоем флюса, автоматическая сварка.

Ручная дуговая сварка имеет технологические свойства, обеспечивающие быстрое зажигание устойчивое горение и малую чувствительность к изменению длины дуги в определенных пределах, быстрое зажигание дуги после погашения, нужное проплавление основного металла. Но для сварки данной конструкции не рекомендуется, т.к. в процессе сварки в металле шва образуются большое количество вредных веществ из-за плохой защиты сварочной ванны и большого расхода сварочного материала (огарок и др.).

Механизированная сварка под слоем флюса имеет ряд преимуществ, таких как: высокая производительность труда, за один подход можно сваривать детали толщиной до 20 мм, постоянная длина дуги, нет разбрызгивания, нет огарков, независимость сварки от квалификации сварщика, хорошие санитарные условия, более высокое качество за счет стабильности процесса, за счет флюса происходят металлургические процессы, за счет большей силы тока происходит быстрое плавление электрода и повышается скорость сварки. Но, есть и ряд недостатков: нельзя получать сварные соединения при наклоне детали >30 градусов, из-за скатывания флюса, сваривание изделий с возможно только изделий с простой траекторией. Учитывая особенности нашей конструкции применять сварку под слоем флюса не целесообразно.

Сущность данных способов сварки заключается в том, что электрическая дуга и расплавленный металл защищены от влияния окружающей среды благодаря защитному газу или шлаку (при сварке порошковой проволокой) образовывающемуся в процессе сварки. Сварку порошковой проволокой можно выполнять открытой дугой без дополнительной защиты, в углекислом газе и под флюсом. Сварка порошковой проволокой открытой дугой — основной путь механизации сварки в тех случаях, когда затруднено применение механизированных способов сварки в углекислом газе и под флюсом, прежде всего в монтажных условиях, на открытых строительных площадках. Порошковая проволока представляет собой трубчатую (часто со сложным внутренним сечением) проволоку, заполненную порошкообразным наполнителем — шихтой. Оболочку порошковой проволоки изготовляют из стальной (чаще низкоуглеродистой) ленты толщиной 0,2 – 0,5 мм. Наполнитель представляет собой смесь порошков из газо- и шлакообразующих компонентов, а также легирующих компонентов, которые обеспечивают защиту зоны сварки и требуемые свойства сварного шва. Наиболее широко используют порошковую проволоку диаметром от 1,6 до 3,0 мм.

Стоит отметить и то, что порошковая проволока не требует наличие газового баллона, различных шлангов и редукторов, а также флюсовой аппаратуры и самого флюса. На протяжении всего процесса можно легко направлять электрод в разделку, есть возможность следить за формированием сварного шва — это, пожалуй, основные преимущества использования проволоки порошковой для дуговой сварки.

Сварка в среде защитных газов является одним из способов электродуговой сварки. При этом способе в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования. Известны следующие виды сварки в среде защитных газов: в среде инертных одноатомных газов (аргон и гелий), в среде нейтральных двухатомных газов (азот, водород), в среде углекислого газа. В практике наиболее широкое применение аргоно-дуговая сварка и сварка в среде углекислого газа.

Аргоно-дуговая сварка осуществляется в струе аргона, который является инертным газом, не вступает во взаимодействие с расплавленным металлом сварочной ванны и предохраняет его от воздействия кислорода и азота воздуха.

Сварка в среде двухатомных газов (атомноводородная и сварка в струе азота) имеет ограниченное применение, так как водород и азот в зоне дуги диссоциируют на атомы. Углекислый газ, подаваемый в зону дуги, не является нейтральным, так как под действием высокой температуры он диссоциирует на окись углерода и свободный кислород (СО2 <-> СО+О). При этом происходит некоторое окисление расплавленного металла сварной ванны и как следствие металл шва получается пористым с низкими механическими свойствами.

Сварка производится как неплавящимся, так и плавящимся электродом. Неплавящиеся электроды служат только для возбуждения и поддержания горения дуги. Для заполнения разделки свариваемых кромок в зоне дуги вводят присадочный металл в виде прутков или проволоки. Применяются неплавящиеся электроды: вольфрамовые, угольные и графитовые. Угольные и графитные электроды применяют редко (главным образом при сварке легированных сталей), так как они не обеспечивают достаточного, устойчивого горения дуги и сварной шов получается пористым с темным налетом. Плавящиеся электроды применяют в виде сварочной проволоки, изготовленной из металла, по химическому составу сходной со свариваемым металлом.

Преимущества механизированной сварки в среде защитных газов:

– открытая дуга, позволяющая оператору аккуратно размещать наплавляемый металл и визуально следить за сварочной ванной;

– исключительно жёсткий контроль за химическим составом, позволяющий получать гарантированный состав шва;

– простота процесса сварки;

– возможность выполнения швов в различных пространственных положениях;

– механизация процесса за счет автоматической подачи сварочной проволоки в зону расплавления основного металла;

– повышение производительности труда;

– хорошая устойчивость горения дуги;

Из вышеперечисленных способов сварки, учитывая нашу конструкцию предпочтительнее использовать механизированную сварку в среде защитных газов. Разделка кромок осуществляется согласно ГОСТ 14771-76 (см таблицу 2).

Таблица 2 – Разделка кромок

Условное обозначение сварного соединения

Конструктивные элементы

Способ сварки

s = s ₁

подготовленных кромок свариваемых деталей

шва сварного соединения

Номин.

Пред. откл.

Номин.

Пред. откл.

Номин.

Пред. откл.

Номин.

Пред. откл.

ИП

10,0

1,0

+ 1,0 - 1,0

+ 1,0 - 2,0

± 2,0

1,0

+ 0,5 - 1,0