Материал: Сварка углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

Сварка углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВО “УРФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина”

Механико-машиностроительный институт

Кафедра сварочного производства и упрочняющих технологий

Реферат на тему:

Сварка углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

студент: Проскуряков Е. Е.

группа: ММ-430113

проверил: Панов В.И.

Екатеринбург 2016

Введение

Для ускорения технического прогресса, повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции необходимо широкое внедрение в сварочное производство последних достижений науки и техники. Эта задача успешно решается созданием крупных специальных заводов с высокой степенью механизации сварочных работ, изменением структуры сварочного производства, увеличением объемов внедрения прогрессивных способов сварки (автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов, электрошлаковая и др.).

Разработаны и серийно выпускаются новые конструкции источников питания сварочной дуги, оборудование для механизированных способов сварки, сборочно-сварочные приспособления.

Поточное и механизированное производство автомобилей, судов, вагонов, горнодобывающего и химического оборудования, электрооборудования, строительно-дорожных машин, прессового оборудования на базе автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и в среде защитных газов позволило увеличить производительность труда в 5 - 10 раз, повысить качество сварных соединений при значительной экономии металла и электроэнергии. При восстановлении изношенных деталей машин и механизмов, а также при изготовлении новых деталей с износостойкой поверхностью широко используются различные механизированные способы наплавки. Для этой цели выпускаются универсальные и специальные автоматы и полуавтоматы, оборудование и устройства для установки и перемещения деталей, подачи флюса и газа в зону сварки.

Внедрение новых способов сварки, в том числе в среде защитных газов, электрошлаковой и др., позволили решить проблему широкого использования в промышленности сварных изделий с деталями и узлами (сборочными единицами) из специальных сталей, цветных металлов и их сплавов. Промышленность выпускает большое количество различных марок электродов для дуговой сварки конструкций из углеродистых и легированных, теплоустойчивых, коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и других сталей. Выпускаются также электроды для восстановительной и износостойкой наплавки различных сталей, для сварки и наплавки чугуна и цветных металлов.

Развитие сварочного производства, внедрение прогрессивных методов сварки в народном хозяйстве повышают требования к уровню подготовки рабочих-сварщиков. Повышение теоретических знаний и практических навыков в работе, освоение новых методов и приемов сварки рабочими при современном уровне сварочного производства является одной из основных задач по освоению и внедрению в производство достижений науки и техники в области сварки.

Для удобства пользования учебным пособием в приложении 3 приведена таблица перевода некоторых величин из метрической системы единиц в Международную систему единиц (СИ).

Общие сведения об электрической сварке плавлением

Схема процесса сварки

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных (сварных) соединений из металлов, их сплавов и других материалов (пластмасс, стекла) или разнородных материалов (стекла и металла и т. п.).

Соединение, полученное при сварке, характеризуется непрерывной структурной связью и монолитностью строения, достигаемыми за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами сопрягаемых деталей. Для того чтобы произошла сварка, нужно сблизить соединяемые элементы на расстояние порядка величины атомного радиуса (10-8 см). При этом между поверхностными атомами твердых тел становится возможным межатомное взаимодействие и происходит сопровождаемое диффузией химическое взаимодействие.

Неразъемное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется сварным соединением. При сварке плавлением под сварным соединением понимают участок, включающий собственно шов, металл зоны термического влияния и основной металл, не претерпевший под влиянием сварки никаких изменений. Шов является литым сплавом основного и дополнительного металлов, а зона термического влияния представляет собой участок основного металла с измененными в результате сварки свойствами (рис. 1).

Сваркой плавлением можно соединять практически все используемые для изготовления конструкций металлы и сплавы любой толщины. Возможна сварка разнородных металлов и сплавов.

В процессе изготовления конструкции с использованием сварки плавлением источник теплоты в большинстве случаев передвигается вдоль свариваемого изделия, что позволяет сваривать объекты с неограниченными размерами. Сварку плавлением, в том числе и электрическую, ранее называли автогенной - самопроизвольной сваркой. Затем этот термин начал применяться для обозначения кислородно-ацетиленовой сварки. Сейчас он почти не применяется.

При сварке плавлением металл в месте сварки доводится до жидкого состояния. Локальное расплавление основного металла осуществляется по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться только за счет расплавления основного металла (рис 1, а) или за счет расплавления основного и дополнительного металлов (рис. 1, б). В практике преимущественное применение находит второй вариант. Расплавленные основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну, смачивающую оставшуюся твердой поверхность соединяемых элементов. При этом происходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молекулярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбированные газы, окислы и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой расплавленного металла.

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание - кристаллизация. Начинается она от частично оплавленных зерен основного металла, что приводит к образованию общих кристаллитов. После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.

В процессе сварки наблюдаются испарение и окисление некоторых элементов, поглощение и растворение жидкой ванной газов. Происходят также изменения и в зоне термического влияния. Эти процессы обусловливают отличие металла шва и зоны термического влияния от основного металла. При сварке возникают деформации конструкции и создается поле остаточных напряжений, что может нарушить проектные ее размеры и форму и сказаться на прочности сварного соединения.

При сварке плавлением требуется локальный нагрев небольшого участка металла, окруженного со всех сторон значительным объемом холодного металла, до температуры, превосходящей температуру его плавления. Это приводит к необходимости использования для электрической сварки большинства металлов и сплавов источников нагрева, имеющих температуру не ниже 3000° С и тепловую мощность, достаточную для образования сварочной ванны.

При электрической сварке плавлением источником нагрева служит электрический ток. Наиболее широкое применение находит электродуговая, электрошлаковая и электроннолучевая сварка. В значительно меньшем объеме используется пока лазерная сварка. Однако масштабы ее применения с каждым годом увеличиваются.

При электрической дуговой сварке нагрев и плавление металла осуществляются энергией, выделяемой дуговым разрядом. При электрошлаковой сварке необходимая для сварки теплота получается при прохождении тока через шлаковую ванну, образуемую при расплавлении флюса. Нагрев и плавление металла при электроннолучевой сварке достигаются за счет интенсивной бомбардировки свариваемого металла быстродвижущимися электронами. При лазерной сварке необходимая для плавления металла теплота выделяется световым пучком, являющимся весьма концентрированным источником теплоты.

В настоящее время ведущее положение среди различных видов электрической сварки плавлением занимает электрическая дуговая сварка. Возможности этого вида сварки еще далеко не исчерпаны, и можно ожидать дальнейшего ее совершенствования и развития.

К сварке плавлением относится и наплавка металлов, нашедшая широкое применение в промышленности. Наплавкой называют процесс нанесения слоя металла на доведенную до расплавления поверхность изделия. Цель наплавки сводится к восстановлению размеров детали после износа, устранению дефектов литья, поковок и проката или созданию на поверхности детали слоя металла, обладающего особыми свойствами (стойкость против износа или коррозии, жаропрочность и др.). В дальнейшем при изложении общих вопросов под термином «сварка» мы будем понимать как собственно сварку, т. е. соединение отдельных деталей, так и наплавку.

Сварка - технологический процесс, широко применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых конструкций и механизмов. Преимущества сварных конструкций в настоящее время общепризнаны,такие конструкции повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кованых изделий. Эти преимущества сводятся к уменьшению расхода металла, снижению затрат труда, упрощению оборудования, сокращению сроков изготовления и увеличению съема продукции без увеличения производственных площадей. Значительно расширяются также возможности механизации основных технологических операций. Однако все преимущества сварки могут быть реализованы только при обеспечении необходимого качества сварных соединений, гарантирующих длительную и надежную работу их в условиях эксплуатации. Это достигается на основании глубокого изучения вопросов технологии сварки и установления связи ее с конструктивными формами и особенностями изготовляемой продукции.

Сварка углеродистых сталей

Углеродистыми конструкционными (машиноподелочными, или строительными) называют стали, содержащие 0,1-0,7% С. Углерод определяет прочность этой группы сталей. В углеродистых сталях присутствует также некоторое количество так называемых постоянных (нормальных) примесей, попадающих в металл или специально вводимых в него в процессе производства (плавки) стали. Обычно количество постоянных примесей в углеродистых сталях не превышает (по верхнему пределу) 0,8% Мn, 0,35% Si, 0,04% Р, 0,05% S, 0,05% О2. К постоянным примесям относят также некоторое остаточное содержание водорода и азота.

Помимо постоянных примесей в металле могут находиться в небольшом количестве случайные примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов (медь, мышьяк) или из скрапа (хром, никель). Содержание этих элементов обычно не превышает 0,3% Сu, 0,08% As, 0,3% Сr, 0,3% Ni.

Углеродистые конструкционные стали классифицируют по способу изготовления, по качеству и степени раскисленности стали. В сварочной технике их классифицируют также и по содержанию углерода.

Слиток кипящей стали характерен резко выраженной зональной сегрегацией. Неравномерность содержания примесей сохраняется в прокате, где имеются участки металла с повышенным содержанием серы и в меньшей степени фосфора. Места скопления серы называют сульфидными строчками. Представление о неоднородности структуры кипящей стали дает отпечаток распределения сернистых включений по Бауману. Местная концентрация серы может намного превысить среднее ее содержание и привести к образованию кристаллизационных трещин в металле шва и горячих трещин в околошовной зоне (рис. 2).

Рис.2. Трещины в околошовной зоне и в металле шва

Опыт эксплуатации сварных конструкций показал, что кипящая сталь, в том числе и мартеновская, склонна к старению в околошовной зоне и к переходу в хрупкое состояние при работе на морозе.

Слиток спокойной стали обычно имеет однородное плотное строение.

Вредные примеси - сера, фосфор распределены в нем более равномерно, чем в слитке кипящей стали. Спокойная мартеновская сталь значительно менее склонна к старению, чем кипящая сталь. При сварке стали, успокоенной алюминием, эффект старения металла околошовной зоны либо вовсе не проявляется, либо проявляется гораздо слабее, чем при сварке кипящей стали.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями. Эта сталь раскисляется несколько большим количеством присадок по сравнению с кипящей сталью, благодаря чему обеспечивается меньшее выделение газов при остывании и кристаллизации слитка.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества поставляется по ГОСТ 380-71 и другим стандартам (ГОСТ 5521-67на сталь для судостроения, ГОСТ 5520-69 на сталь для котлостроения, ГОСТ 6713-53 на сталь для мостостроения). Углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая в соответствии с ГОСТ 380-71,подразделяется на три группы: А - поставляемую по механическим свойствам, Б - поставляемую по химическому составу. В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяется на категории. Сталь группы А имеет три категории, для каждой из которых установлены обязательные показатели и нормы механических свойств. Для сварных конструкций сталь этой группы не применяется. Сталь группы Б подразделяется на две категории. В первой нормируется содержание углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, мышьяка, азота. Во второй категории дополнительно нормируется содержание хрома, никеля, меди. Сталь этой группы находит ограниченное применение для сварных конструкций. Сталь группы В имеет шесть категорий.

Как правило, для сварных конструкций применяют сталь марок ВСт2 и ВСт3 всех степеней раскисления. Для ответственных конструкций используют спокойные стали группы В наиболее высоких категорий.

Сталь марки Ст3 групп Б и В выплавляется как полуспокойная, может содержать обычное (0,4-0,65%) и повышенное (0,8- 1,1%) количество марганца. В обозначении марки стали, содержащей повышенное количество марганца, введена буква Г. Стали этого типа также применяют для изготовления сварных конструкций.

В обозначении стали указаны группа, условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств, степень раскисления, категория стали. Например, ВСт3сп5 обозначает сталь марки Ст3 группы В, спокойная, категория 5. Обозначение ВСт3Гпс4 расшифровывается как сталь марки Ст3 группы В, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, четвертой категории. Следует отметить, что группа А и первая категория в обозначении стали не указываются.

Углеродистая конструкционная качественная сталь поставляется по ГОСТ 1050-60 и отдельным стандартам, разработанным на основе этого стандарта. К этой же группе условно отнесены стали с повышенным содержанием марганца, микролегированные бором (в пределах 0,002-0,006%), и сталь марки С (для судостроения) по ГОСТ 5521-67. Механические свойства сталей установлены в зависимости от характера термообработки.