Почему сварка углеродистой стали - это и искусство, и наука? Понимание свариваемости различных углеродистых сталей - от низкоуглеродистых до высокоуглеродистых - имеет решающее значение для обеспечения прочных и долговечных соединений. В этой статье рассматриваются конкретные проблемы и методы, необходимые для сварки различных углеродистых сталей, и дается ключевое представление о том, как такие факторы, как содержание углерода, примеси и скорость охлаждения, влияют на качество сварки. Откройте для себя практические методы улучшения свариваемости и достижения оптимальных результатов.
Углеродистая сталь, которая в основном состоит из железа (Fe) с небольшим количеством углерода (C) в качестве легирующего элемента, может быть названа "углеродистой сталью". Углеродистая сталь может быть классифицирована различными способами.
По содержанию углерода сталь можно разделить на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. По качеству она может быть классифицирована как обычная углеродистая сталь, высококачественная углеродистая сталь и высококачественная углеродистая конструкционная сталь.
В зависимости от области применения их можно разделить на конструкционные и инструментальные стали. В соответствии со специфическими требованиями и сферами применения в определенных отраслях промышленности существуют специализированные стали, такие как углеродистая сталь для сосудов под давлением, углеродистая сталь для котлов и углеродистая конструкционная сталь для судостроения.
Свариваемость углеродистой стали в первую очередь определяется содержанием углерода. С увеличением содержания углерода свариваемость постепенно снижается. Присутствие марганца (Mn) и кремния (Si) в углеродистой стали также влияет на свариваемость, причем их повышенное содержание приводит к ухудшению свариваемости, хотя и не так значительно, как углерод.
Эквивалентное содержание углерода, известное как углеродный эквивалент (Ceq), рассчитывается путем пересчета содержания легирующих элементов в стали в эквивалентное содержание углерода. Он служит в качестве контрольного показателя для оценки свариваемости стали.
Таким образом, влияние углерода (C), марганца (Mn) и кремния (Si) на свариваемость можно объединить в формулу углеродного эквивалента (Ceq), подходящую для углеродистой стали.
С увеличением значения Ceq возрастает чувствительность к холодному растрескиванию, что приводит к плохой свариваемости. Обычно, когда значение Ceq меньше 0,4%, сталь имеет небольшую склонность к закалке и демонстрирует хорошую свариваемость без необходимости предварительного нагрева. Когда значение Ceq находится в диапазоне от 0,4% до 0,6%, сталь имеет значительную склонность к закалке, что приводит к повышенной чувствительности к холодному растрескиванию и умеренной свариваемости.
В таких случаях требуются дополнительные меры, например, предварительный подогрев во время сварки. Когда значение Ceq превышает 0,6%, свариваемость становится очень плохой.
Примеси (такие как S, P, O, N) и микроэлементы (такие как Cr, Mo, V, Cu) в углеродистой стали оказывают значительное влияние на восприимчивость к растрескиванию и механические свойства. сварные соединения. На самом деле, свариваемость определяется не только содержанием легирующих элементов, но и скоростью охлаждения сварного соединения.
В частности, в случае низко- и высокоуглеродистых сталей, при определенных сварочное тепло циклов скорость охлаждения увеличивается, что приводит к образованию мартенсита в сварном шве и зоне термического влияния.
Чем больше мартенсит присутствует, тем выше твердость, что приводит к ухудшению свариваемости и повышению склонности к образованию трещин. Поэтому контроль скорости охлаждения во время сварки приобретает решающее значение.
Применяя предварительный подогрев, контролируя температуру межслойной прослойки, последующий подогрев или используя высокую тепловую мощность сварки, можно уменьшить скорость охлаждения сварного соединения, тем самым контролируя микроструктуру и твердость и сводя к минимуму возможность образования холодных трещин.
Помимо вышеперечисленных факторов, влияющих на свариваемость углеродистой стали, состояние термической обработки основного материала перед сваркой также оказывает значительное влияние на свариваемость и не должно игнорироваться при сварке углеродистой стали.
Низкоуглеродистая сталь, обычно содержащая менее 0,25% углерода и минимальное количество марганца (Mn) и кремния (Si), обладает отличной свариваемостью благодаря своему составу. Эта марка стали, как правило, не образует сильных закалочных или закалочных структур во время сварки, что делает ее очень удобной для различных процессов соединения.
Свойства, присущие низкоуглеродистой стали, включая превосходную пластичность и ударную вязкость, хорошо проявляются в сварных соединениях. Эти характеристики способствуют способности материала противостоять деформации и внезапным ударам как в основном металле, так и в зоне сварного шва.
Одним из основных преимуществ сварки низкоуглеродистой стали является упрощение процесса сварки. В стандартных условиях она обычно не требует:
Такой оптимизированный подход значительно сокращает время и затраты на обработку, сохраняя целостность сустава.
Однако важно отметить, что в некоторых ситуациях низкоуглеродистая сталь может представлять трудности при сварке. Такие случаи, хотя и редко, могут возникать по следующим причинам:
Чтобы обеспечить оптимальное качество сварки, необходимо проверить состав стали и выбрать подходящие процессы и параметры сварки.
Универсальность низкоуглеродистой стали проявляется в широком спектре применяемых методов сварки, каждый из которых позволяет получать высококачественные соединения. Современные стандартные методы включают в себя:
Каждый метод обладает определенными преимуществами в зависимости от области применения, конструкции соединения и производственных требований. Например, GMAW с защитой CO2 часто предпочитают за высокую скорость осаждения и пригодность к автоматизации, а GTAW выбирают за точность сварки тонких участков и корневых проходов.
В заключение следует отметить, что низкоуглеродистая сталь, как правило, является наиболее свариваемым типом стали, но при этом необходимо помнить о потенциальных проблемах и придерживаться передового опыта, чтобы обеспечить стабильное и качественное сварное соединение в различных областях применения.
(1) Дуговая сварка в защитном металле
Дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW) - это универсальная и широко используемая технология соединения деталей из низкоуглеродистой стали. Краеугольным камнем при выборе электродов для сварки низкоуглеродистой стали является принцип равной прочности, гарантирующий, что механические свойства металла шва будут соответствовать или немного превышать свойства основного материала.
Электроды серии Э43хх преимущественно используются в этой области благодаря совместимости с механическими характеристиками низкоуглеродистой стали. Низкоуглеродистая сталь обычно имеет средний предел прочности на разрыв около 417,5 МПа, в то время как электроды серии E43xx производят осажденный металл с минимальным пределом прочности на разрыв 420 МПа. Такое незначительное превышение прочности обеспечивает надежную целостность шва, не снижая при этом эксплуатационных характеристик конструкции в целом.
Серия E43xx включает в себя разнообразные типы электродов и торговые марки, что позволяет сварщикам точно настроить свой выбор в зависимости от состава основного металла, конфигурации соединения и условий нагрузки. При выборе электродов также следует учитывать такие факторы, как место сварки, требуемая пластичность и ударная вязкость.
Для ответственных конструкций или компонентов, подверженных сложным сценариям нагружения, настоятельно рекомендуется использовать электроды с низким содержанием водорода (например, E7018). Эти электроды минимизируют риск образования трещин, вызванных водородом, особенно в толстых секциях или соединениях с большим усилием. В таблице 5-1 приведены подробные рекомендации по выбору электродов для различных сценариев сварки.
При сварке других марок стали необходимо обращаться к отраслевым стандартам, таким как JB/T 4709-2007, или соответствующим национальным стандартам. Эти ресурсы предлагают подробные критерии выбора электродов с учетом таких факторов, как состав стали, требования к механическим свойствам и условия эксплуатации.
Для оптимизации качества и эффективности сварки в современных процессах SMAW часто используются импульсные источники питания, специализированные покрытия электродов для повышения стабильности дуги и усовершенствованные смеси защитных газов. Эти инновации позволяют повысить проплавление, уменьшить разбрызгивание и улучшить общий эстетический вид сварного шва, особенно при сварке в неположенном месте.
(2) Газо-металлическая дуговая сварка (GMAW)
Газодуговая сварка металлов (GMAW) с использованием защитного газа углекислого газа (CO2) в последние годы приобрела значительную популярность для сварки низкоуглеродистой стали благодаря своей универсальности, эффективности и экономичности. В этом процессе используются два основных типа сварочной проволоки: сплошная и порошковая, каждый из которых обладает определенными преимуществами для конкретных применений.
При выборе сварочной проволоки для низкоуглеродистой стали соблюдается принцип равной прочности, гарантирующий, что механические свойства металла шва будут соответствовать или немного превышать свойства основного металла. Этот принцип имеет решающее значение для сохранения целостности конструкции и проиллюстрирован в табл. 5-1, где представлено полное руководство по выбору проволоки в зависимости от свойств основного металла.
Варианты сварочной проволоки для газовой дуговой сварки металлов CO2 включают:
Для получения подробной информации о технических и эксплуатационных характеристиках обратитесь к национальным стандартам, таким как GB/T 8110-1995 "Сварочные проволоки из углеродистой и низколегированной стали для сварки в защитном газе" или международным эквивалентам, таким как AWS A5.18 для сплошных проволок и AWS A5.20 для проволок с порошковым покрытием.
Качество защитного газа имеет первостепенное значение для достижения оптимального качества сварки. Используемый для сварки газ CO2 должен иметь минимальную чистоту 99,5%, чтобы предотвратить загрязнение и обеспечить стабильность дуги. Некоторые производители предпочитают использовать газовые смеси, такие как аргон 75% / CO2 25%, для дальнейшего улучшения характеристик сварного шва и уменьшения разбрызгивания.
При выполнении GMAW с защитой CO2 учитывайте следующие передовые методы:
Соблюдая эти рекомендации и выбирая подходящую сварочную проволоку, производители могут получить высококачественные и эффективные сварные швы на низкоуглеродистой стали с помощью газовой дуговой сварки CO2.
(3) Дуговая сварка под флюсом (SAW)
Дуговая сварка под флюсом (SAW) - это высокоэффективный и универсальный процесс, широко используемый для соединения низкоуглеродистой стали, особенно в толстых и средних листах. Этот метод позволяет получать высококачественные сварные швы с глубоким проплавлением и отличными механическими свойствами. Для SAW низкоуглеродистой стали часто выбирают сплошные проволоки, такие как H08A или H08MnA, благодаря их постоянному химическому составу и превосходной подаче.
Эти проволоки обычно используются в паре с высокомарганцевыми, высококремнистыми и низкофтористыми флюсами, такими как HJ430, HJ431 или HJ433. Такое сочетание оптимизирует стабильность дуги, улучшает отделяемость шлака и способствует формированию мелкозернистой микроструктуры металла шва. Высокое содержание марганца во флюсе компенсирует потери марганца во время сварки, а кремний улучшает раскисление и механические свойства. Низкое содержание фтора сводит к минимуму риск образования трещин, вызванных водородом, и уменьшает вредные выбросы дыма.
В отрасли наблюдается растущая тенденция к использованию спеченных флюсов, которые обеспечивают повышенный контроль над химическим составом и сварочными характеристиками. Некоторые современные спеченные флюсы содержат железный порошок, что позволяет использовать революционную технику, известную как односторонняя сварка с двухсторонним формированием. В этом инновационном подходе используются специально разработанные подкладочные материалы, в результате чего получаются эстетически привлекательные сварные швы, которые выглядят так, как будто они сварены с двух сторон. Эта техника не только повышает визуальную привлекательность, но и значительно улучшает эффективность сварки, снижая необходимость в повторном позиционировании или многократных проходах.
Полный обзор широко используемых сварочных материалов для дуговой сварки под флюсом низкоуглеродистой стали, включая комбинации проволоки и флюса и их конкретные применения, приведен в таблице 5-1 ниже. Эта таблица дает ценные рекомендации по выбору оптимальных сварочных материалов с учетом таких факторов, как толщина листа, конструкция шва и требуемые механические свойства.
(4) Ручная сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG)
В ответственных конструкциях, особенно при сварке стыковых соединений труб из низкоуглеродистой стали, достижение полного проплавления сварных швов имеет первостепенное значение. На многих промышленных предприятиях используется ручная сварка TIG для корневого прохода, а затем сочетание дуговой сварки в защитных слоях металла (SMAW) и сварки TIG для заполнения и укупорки. Кроме того, некоторые производства полагаются исключительно на ручную сварку TIG на протяжении всего процесса, обеспечивая точный контроль и высококачественные результаты.
При сварке TIG низкоуглеродистой стали необходимо использовать специальную присадочную проволоку, чтобы свести к минимуму изменения химического состава и гарантировать стабильные механические свойства сварного шва. Для таких сталей, как 20, 20g и 20R, обычно подходит присадочный материал H08Mn2SiA, обеспечивающий оптимальный баланс прочности и пластичности. Защитный газ, используемый при TIG-сварке, обычно аргон (Ar), должен иметь минимальную чистоту 99,99%, чтобы предотвратить загрязнение и обеспечить целостность сварного шва.
Хотя сварка TIG очень эффективна при работе с низкоуглеродистой сталью, в зависимости от конкретных требований проекта можно использовать и другие методы сварки:
При изготовлении котлов и сосудов под давлением используется широкий спектр методов сварки и их комбинаций. Выбор этих методов основывается на таких факторах, как толщина материала, конфигурация шва, доступность, объем производства и требования специальных норм. Некоторые передовые методы включают:
Выбор метода сварки имеет решающее значение для обеспечения целостности конструкции, соблюдения нормативных стандартов и оптимизации эффективности производства при изготовлении котлов и сосудов под давлением.
Таблица 5-1: Примеры широко используемых сварочных материалов для сварки низкоуглеродистой стали
| Марка стали. | Модель (марка) сварочного электрода, используемого для дуговой сварки. | Сварочная проволока для CO2 сварка в газовой среде. | Флюсы для дуговой сварки под флюсом / Сварочная проволока | ||
| Общая структура. | Важная или сложная структура. | Сварочная проволока с твердым сердечником. | Порошковая сварочная проволока. | ||
| Q235A Q235B Q235C | E4303 （J422） | E315（J427） E4316（J426） | ER49-1（H08Mn2SiA） | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431) /H08MnA |
| 08 10 15 20 | E4303 （J422） | E4315（J427) E4316 (J426) | ER49-1（H08Mn2SiA） | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431) /H08MnA |
| 20g 20R 22g | E4303 （J422） | E4315（J427） E4316（J426） | ER50-3 | EF01-5020 | HJ401-H08A（HJ431） /H08MnA или H08MnSi |
(1) Предварительная подготовка к сварке
Подготовка к сварке включает в себя следующие аспекты:
1) Подготовка паза.
Подготовка паза должна производиться холодным способом, но можно использовать и горячий способ. Сайт сварочная канавка должны быть ровными, без каких-либо дефектов, таких как трещины, расслоение или включение шлака.
Размеры должны соответствовать чертежам или техническим условиям на процесс сварки. Поверхность и обе стороны канавки (10 мм для дуговой сварки электродом, 20 мм для дуговой сварки под флюсом) должны быть тщательно очищены от воды, ржавчины, масла, шлака и других вредных примесей.
2) Сварочные электроды и флюс должны быть высушены и храниться в тепле в соответствии с правилами. Сварочная проволока должна быть очищена от масла, ржавчины и других загрязнений.
3) Предварительный нагрев
Как правило, низкие сварка углеродистой стали не требует специальных технологических мер. Однако в холодных зимних условиях сварное соединение быстро остывает, увеличивая склонность к образованию трещин. Это особенно актуально для жестких конструкций с большими толщина сварки.
Во избежание образования трещин, предварительный подогрев перед сваркойВ процессе сварки можно поддерживать температуру прослойки, а также принимать меры по ее поддержанию после нагрева. Сайт температура предварительного нагрева может быть определена на основании результатов испытаний и соответствующих стандартов. Температура предварительного нагрева может отличаться для разных продуктов, как показано в Таблицах 5-2 и 5-3.
Таблица 5-2: Температура предварительного нагрева для обычных жестких конструкций из низкоуглеродистой стали
| Марка стали | Толщина материала (мм). | Температура предварительного нагрева (°C). |
| Q235,08,10, 15, 20 | ≈50 | |
| 50~90 | >100 | |
| 25, 20g，22g, 20R | ≈40 | >50 |
| >60 | >100 |
Таблица 5-3: Температура предварительного нагрева для низкоуглеродистых материалов Сварка стали в условиях низких температур
| Температура окружающей среды (°C) | Толщина сварного элемента (мм) | Температура предварительного нагрева (°C). | |
| Балки, колонны и строительные леса. | Трубопроводы и контейнеры. | ||
| Ниже -30°C | <30 | <16 | 100~150 |
| Ниже -20°C | 17~30 | ||
| Ниже -10°C | 35~50 | 31~40 | |
| Ниже 0°C | 51~70 | 51~50 | |
4) Позиционирование сварки
Позиционная сварка - это сварка, выполняемая для сборки и фиксации положения различных деталей на свариваемом элементе. Полученный сварной шов называется позиционным. Для позиционной сварки следует использовать тот же сварочный материал, что и для сварного шва, и применять тот же процесс сварки.
Позиционный шов не должен иметь трещин, в противном случае его необходимо удалить и заварить заново. Концы позиционного шва, которые вплавляются в постоянный шов, должны легко ударить по дуге. Если есть пористость или шлаковые включения, их следует удалить.
(2) Требования к сварке
Требования к сварке следующие:
1) Сварщики должны выполнять сварку в соответствии с требованиями чертежей, технологической документации и технических стандартов.
2) Удар дуги должен производиться по опорной пластине или внутри канавки, а удар дуги в несварочных зонах запрещен. При гашении дуги кратер должен быть заполнен.
3) В процессе сварки температура межслойного шва должна контролироваться в заданном диапазоне. Если заготовка предварительно нагрета, температура прослойки не должна быть ниже температуры предварительного нагрева.
4) Каждый сварной шов должен быть выполнен за одну непрерывную операцию, и следует по возможности избегать перерывов.
5) Форма, размеры и внешний вид поверхности сварного шва должны отвечать требованиям соответствующих стандартов.
6) На поверхности шва не должно быть трещин, пористости, кратеров и видимых шлаковых включений. Шлак на сварном шве и брызги с обеих сторон должны быть удалены. Переход между сварным швом и основным материалом должен быть гладким. Подрез на поверхности шва не должен превышать требований соответствующих стандартов.
Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода от 0,30% до 0,60% демонстрирует различные характеристики свариваемости. В нижней части этого диапазона (wC ≈ 0,30%) и при умеренном содержании марганца сталь демонстрирует хорошую свариваемость. Однако с увеличением содержания углерода свариваемость постепенно ухудшается.
Для сталей с содержанием углерода, приближающимся к 0,50%, использование стандартных процессов сварки низкоуглеродистых сталей может привести к образованию хрупких мартенситных структур в зоне термического влияния (ЗТВ), что значительно повышает риск образования трещин. Эта восприимчивость распространяется на сам металл шва, если параметры сварки и выбор присадочного материала тщательно не контролируются. Во время сварки происходит значительное разбавление основного металла, что повышает уровень примесей и увеличивает вероятность образования трещин при затвердевании (горячих), особенно если содержание серы строго не регулируется. Эти горячие трещины наиболее распространены в области кратера сварного шва.
Склонность к образованию дефектов сварного шва в среднеуглеродистых сталях не ограничивается трещинами. С увеличением содержания углерода сталь становится все более восприимчивой к образованию пористости, что требует строгого контроля параметров сварки и чистоты защитного газа.
Среднеуглеродистые стали находят применение как в высокопрочных конструкционных элементах, так и в износостойких механических деталях и инструментах. При использовании в механических компонентах основное внимание часто уделяется достижению оптимальной твердости и износостойкости, а не максимальной прочности. В обоих случаях желаемые свойства обычно достигаются с помощью тщательно разработанных процессов термообработки.
Сварка термически обработанных деталей представляет собой уникальную задачу. Для предотвращения образования трещин необходимо принимать превентивные меры, такие как предварительный подогрев, контролируемая температура промежуточного слоя и правильный выбор сварочных материалов. Важно понимать, что тепло, выделяемое при сварке, может привести к локальному размягчению в зоне термической обработки, что потенциально может ухудшить эксплуатационные характеристики детали. Для восстановления механических свойств HAZ и обеспечения равномерных характеристик сварного соединения часто требуется послесварочная термическая обработка (PWHT).
Успешная сварка среднеуглеродистых сталей требует комплексного подхода, включающего:
Тщательно контролируя эти факторы, можно получать высококачественные сварные швы из среднеуглеродистых сталей, которые сохраняют требуемые механические свойства и структурную целостность детали.
(1) Дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW) для среднеуглеродистой стали
Дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW) является преобладающим методом сварки среднеуглеродистой стали, несмотря на присущую ей плохую свариваемость. Эта марка стали, используемая в основном для производства механических деталей, требует особых методов сварки для обеспечения целостности и производительности соединения.
Выбор электродов имеет решающее значение при SMAW для среднеуглеродистой стали. Если прочность металла шва должна соответствовать прочности основного металла, необходимо использовать электроды эквивалентного класса. Однако при отсутствии необходимости полного соответствия прочности можно использовать электроды меньшей прочности, что обеспечивает гибкость конструкции сварки и потенциальное снижение затрат.
Электроды с низким содержанием водорода настоятельно рекомендуются для SMAW-плавки среднеуглеродистой стали благодаря своим превосходным свойствам:
Эти характеристики значительно улучшают качество сварки и снижают риск возникновения дефектов в соединениях из среднеуглеродистой стали.
В особых случаях могут использоваться электроды типа титан-железо или титан-кальций. Однако их использование требует строгого контроля процесса:
Для специальных применений хромоникелевые электроды из аустенитной нержавеющей стали предлагают уникальные преимущества при сварке среднеуглеродистой стали:
Выбор подходящих электродов (примеры приведены в таблице 5-4) должен основываться на конкретном применении, требованиях к механическим свойствам и условиях сварки. Для оптимизации процесса сварки и обеспечения долговечности и надежности сварной конструкции необходимо также учитывать такие факторы, как конструкция соединения, толщина листа и условия эксплуатации.
Таблица 5-4: Примеры электродов из среднеуглеродистой стали
| Марка стали | Сварочные электроды | ||
| Компоненты, требующие одинаковой прочности. | Компоненты, не требующие одинаковой прочности | В особых ситуациях. | |
| 35，ZG270-500 | 506，J507，J556，J557 | J422, J423, J425，J427 | A102, A302, A307, A402, A07 |
| 45, ZG310-570 | J556，J557, J606, J607 | J422，J423，J426J427,J506，J507 | |
| 55, Z310-610 | J606，J607 | ||
(2) Другие методы сварки
Для сварки среднеуглеродистой стали можно использовать различные технологии, выбор которых определяется в первую очередь техническими характеристиками, свойствами материала и требованиями проекта. Дуговая сварка в газовой среде (GMAW), широко известная как сварка в защитном газе CO2, является универсальным вариантом, обеспечивающим высокую производительность и отличное качество шва.
При использовании сварки в защитном газе CO2 для среднеуглеродистой стали выбор присадочного металла имеет решающее значение. Часто используются стальные проволоки марок 30 и 35, а также специальные сплавы, такие как H08Mn2SiA, H04Mn2SiTiA и H04MnSiAlTiA. Эти проволоки разработаны для обеспечения оптимальных механических свойств и совместимости по химическому составу со среднеуглеродистыми сталями.
Выбор подходящей сварочной проволоки должен основываться на нескольких факторах:
При выборе оптимальной сварочной проволоки необходимо проконсультироваться со специалистами по сварке, рекомендациями производителей и соответствующими сварочными нормами (например, AWS D1.1 для конструкционной стали). Кроме того, проведение квалификационных испытаний сварочной процедуры может помочь подтвердить правильность выбранной проволоки и параметров сварки для конкретного применения.
(1) Предварительная подготовка к сварке
Для обеспечения высокого качества сварки необходимо выполнить следующие подготовительные работы:
1) Очистка электродов: Перед использованием сварочные электроды должны быть надлежащим образом высушены и выдержаны при заданной температуре. Этот процесс, известный как кондиционирование электрода, удаляет влагу и предотвращает водородное охрупчивание в сварном шве.
2) Подготовка поверхности: Тщательно очистите зону сварки, чтобы удалить все дефекты, ржавчину, масло, влагу и другие загрязнения. При сварке встык обеспечьте адекватные размеры сварного шва для сохранения целостности соединения. Правильная подготовка поверхности необходима для достижения прочного металлургического соединения и минимизации дефектов сварки.
3) Терморегуляция:
a) Предварительный нагрев: Для среднеуглеродистых сталей обычно необходим предварительный подогрев. Этот процесс снижает скорость охлаждения в сварном шве и зоне термического влияния (ЗТВ), предотвращая образование мартенсита, повышая пластичность шва и минимизируя остаточные напряжения.
b) Контроль температуры межпроходного шва: При многопроходной сварке поддерживайте температуру промежуточного слоя на уровне или выше температуры начального предварительного подогрева. Это обеспечивает постоянный тепловой режим на протяжении всего процесса сварки.
Температура предварительного нагрева определяется несколькими факторами:
В качестве общего руководства:
Температуру предварительного подогрева следует увеличивать при повышении углеродного эквивалента, увеличении толщины шва или при использовании электродов с более высоким водородным потенциалом. Для получения точных данных о требованиях к предварительному подогреву всегда обращайтесь к процедурам и стандартам сварки для конкретного материала.
(2) Требования к сварке
При сварке среднеуглеродистой стали очень важно использовать специальные технологии для обеспечения оптимальной целостности шва и механических свойств. Рекомендуемый подход предполагает использование узкой сварочной фаски и режима переноса короткого замыкания при газовой дуговой сварке (GMAW) или сварке короткой дугой. Для многослойных сварных швов необходим стратегический процесс наложения слоев.
Начальные слои следует наносить электродами небольшого диаметра (обычно 0,8-1,0 мм) и при низком сварочном токе (около 100-150 А), чтобы минимизировать тепловыделение и уменьшить глубину проплавления основного металла, обеспечивая при этом полное проплавление. Эта техника помогает контролировать зону термического влияния (ЗТВ) и снижает риск образования трещин, вызванных водородом.
Для промежуточных слоев можно использовать более высокую энергию проволоки, чтобы увеличить скорость осаждения и повысить эффективность. Это может включать в себя увеличение тока до 180-250 А, в зависимости от толщины материала и конфигурации соединения. Однако необходимо следить за поддержанием надлежащей температуры промежуточного слоя, обычно в пределах 150-200°C, чтобы предотвратить чрезмерное накопление тепла.
Последний проход или несколько проходов должны обеспечить полное сплавление с ранее наплавленным металлом шва. Такая практика преследует двойную цель: она обеспечивает целостность конструкции и действует как отпускная обработка на месте для зоны термического влияния исходного сварного шва, особенно в основном металле, прилегающем к линии сплавления.
Этот эффект отпуска очень важен, поскольку он помогает снизить твердость и хрупкость в зоне HAZ, способствуя превращению хрупкого мартенсита в более пластичный закаленный мартенсит или бейнит. Следовательно, этот процесс значительно снижает восприимчивость к холодному растрескиванию и повышает общую вязкость сварного соединения до проведения послесварочной термической обработки (PWHT).
Чтобы еще больше повысить качество сварки, рассмотрите возможность применения предварительного подогрева (обычно 150-250°C для среднеуглеродистых сталей) и контроля скорости охлаждения за счет правильного управления температурой в межпроходном пространстве. Эти методы в сочетании с описанной техникой наслоения создают надежную процедуру сварки, которая минимизирует остаточные напряжения и оптимизирует механические свойства сварных швов из среднеуглеродистой стали.
(3) Послесварочная термическая обработка
Послесварочная термическая обработка (PWHT) является важнейшим процессом в сварочном производстве, особенно для высокопрочных сталей и сложных конструкций. Термообработку для снятия напряжений предпочтительно проводить сразу после сварки, особенно для толстостенных деталей, жестких конструкций и узлов, подвергающихся жестким условиям эксплуатации, таким как динамические или ударные нагрузки. Оптимальный диапазон температур для термообработки с целью снятия напряжения обычно находится в пределах 600-650°C (1112-1202°F), при этом конкретная температура зависит от состава материала и параметров сварки.
Если немедленное снятие напряжения невозможно из-за эксплуатационных ограничений, после нагрева все равно следует провести обработку, чтобы облегчить диффузию водорода из металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Этот процесс, известный как водородная выдержка, помогает снизить риск образования трещин, вызванных водородом (HIC). Температура последующего нагрева для удаления водорода может отличаться от температуры предварительного нагрева и должна определяться с учетом таких факторов, как толщина материала, содержание водорода и условия окружающей среды. Обычно для диффузии водорода в большинстве сталей эффективны температуры от 200 до 400°C (от 392 до 752°F).
Продолжительность изоляции после нагрева имеет решающее значение для эффективного снятия напряжений и удаления водорода. Общим руководством является поддержание температуры после нагрева в течение примерно 1 часа на 10 мм (0,4 дюйма) толщины материала. Однако эта продолжительность может потребовать корректировки в зависимости от конкретного сплава, процесса сварки и конфигурации соединения. Для сложных геометрических форм или многопроходных сварных швов может потребоваться более длительное время выдержки или ступенчатый процесс охлаждения для обеспечения равномерного распределения температуры и оптимального снятия напряжений по всей сварной конструкции.
Важно отметить, что скорость охлаждения после PWHT должна тщательно контролироваться, обычно не превышая 150°C (302°F) в час для толстых секций, чтобы предотвратить образование новых остаточных напряжений. Кроме того, надлежащая документация процесса PWHT, включая временно-температурные профили, необходима для обеспечения качества и соответствия отраслевым стандартам, таким как ASME BPVC Section IX или AWS D1.1.
Высокоуглеродистая сталь, определяемая как сталь с содержанием углерода (wC), превышающим 0,6%, включает в себя высокоуглеродистую конструкционную сталь, высокоуглеродистую литейную сталь и углеродистую инструментальную сталь. Повышенное содержание углерода, по сравнению со среднеуглеродистой сталью, значительно увеличивает склонность к образованию твердого и хрупкого высокоуглеродистого мартенсита в процессе сварки.
Эта характеристика приводит к повышенной восприимчивости к закалочному растрескиванию и общей чувствительности к растрескиванию, что значительно ухудшает свариваемость. Поэтому высокоуглеродистая сталь редко используется в сварных конструкциях. Вместо этого ее основное применение находит в компонентах, требующих высокой твердости или износостойкости, специализированных инструментах и некоторых видах литья.
Эти материалы, обычно называемые инструментальной или литой сталью, преимущественно свариваются для ремонта, а не для изготовления. Для достижения необходимой высокой твердости и износостойкости детали из высокоуглеродистой стали обычно подвергаются процессам термообработки, в частности закалке и отпуску.
Для снижения риска растрескивания при сварке часто применяется двухступенчатая термическая обработка:
При сварке высокоуглеродистой стали необходимо соблюдать дополнительные меры предосторожности:
Придерживаясь этих специализированных процедур сварки и протоколов термообработки, можно эффективно решать проблемы, присущие сварке высокоуглеродистой стали, обеспечивая успешные ремонтные операции при сохранении желаемых механических свойств материала.
Высокоуглеродистая сталь, характеризующаяся плохой свариваемостью, в основном используется в областях, требующих высокой твердости или износостойкости, таких как специализированные детали, компоненты и инструменты. Наиболее распространенной технологией сварки высокоуглеродистой стали является дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW) с использованием специальных сварочных электродов.
Выбор сварочных материалов зависит от нескольких факторов, включая содержание углерода в стали, конструкцию заготовки и эксплуатационные требования. Важно отметить, что добиться свойств сварного соединения, идентичных свойствам основного материала, довольно сложно. Высокоуглеродистые стали обычно имеют предел прочности на растяжение более 675 МПа.
При выборе сварочных материалов решающую роль играют технические характеристики изделия. Для работ, требующих высокой прочности, обычно используются такие электроды, как E7015-D2 (J707) или E6015-D2 (J607). Эти электроды обеспечивают хороший баланс прочности и свариваемости для высокоуглеродистых сталей.
В тех случаях, когда высокая прочность не является первостепенной задачей, можно использовать электроды E5016 (J506) или E5015 (J507). В качестве альтернативы можно выбрать электроды из низколегированной стали или присадочные металлы с сопоставимыми показателями прочности. Независимо от конкретного выбора, все сварочные материалы должны быть с низким содержанием водорода, чтобы свести к минимуму риск образования трещин под воздействием водорода, что является распространенной проблемой при сварке высокоуглеродистой стали.
Для специализированных применений или при работе с особо сложными условиями сварки можно использовать хромоникелевые электроды из аустенитной нержавеющей стали. К ним относятся такие марки, как E308-16 (A102), E308-15 (A107), E309-16 (A302) и E309-15 (A307). Хотя предварительный подогрев при использовании этих электродов обычно не требуется, он рекомендуется для материалов с высокой жесткостью, чтобы снизить риск образования трещин и улучшить общее качество сварки.
Процесс сварки высокоуглеродистой стали часто требует дополнительных мер, таких как контролируемая скорость охлаждения и послесварочная термообработка для управления остаточными напряжениями и поддержания требуемых механических свойств. Правильное хранение и обработка электродов также имеют решающее значение для обеспечения низкого содержания водорода и оптимальных характеристик сварки.
(1) Предварительная подготовка к сварке:
Перед сваркой высокоуглеродистой стали необходимо провести следующие подготовительные работы:
1) Отжиг высокоуглеродистой стали необходим перед сваркой для снижения внутренних напряжений и улучшения свариваемости.
2) При использовании электродов из конструкционной стали предварительный подогрев обязателен. Рекомендуемый диапазон температур предварительного подогрева составляет 250-350°C. Поддерживайте эту температуру в качестве межпроходной на протяжении всего процесса сварки для предотвращения теплового удара и снижения риска образования трещин.
3) Правильное кондиционирование электродов имеет решающее значение. Высушите электроды в соответствии со спецификациями производителя и храните их в среде с контролируемой температурой (бокс или трубка для сохранения тепла), чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может привести к водородному охрупчиванию.
4) Тщательно очистите поверхность заготовки от влаги, масла, ржавчины, окалины и других загрязнений. Этот шаг имеет решающее значение для получения высококачественных сварных швов и предотвращения дефектов.
(2) Требования к сварке:
В процессе сварки соблюдайте следующие меры:
1) Применяйте специализированные технологии, аналогичные тем, что используются для среднеуглеродистой стали:
2) Используйте метод предварительного наплавления: нанесите тонкий слой металла шва в канавку, прежде чем приступить к основным сварочным операциям. Эта техника помогает контролировать скорость охлаждения и снижает риск образования трещин.
3) Для сварных соединений высокой жесткости и толстого сечения применяйте методы снижения напряжения:
(3) Послесварочная термическая обработка:
Сразу после сварки подвергните деталь термической обработке для снятия напряжения:
Примечание: Конкретные параметры предварительного нагрева, сварки и послесварочной термообработки могут потребовать корректировки в зависимости от точного состава высокоуглеродистой стали, толщины заготовки и конкретных условий применения сварки. Для получения точных требований всегда обращайтесь к соответствующим сварочным нормам и стандартам.
(1) Пример сварки низкоуглеродистой стали с помощью дуговой сварки в защитном металле
На предприятии по производству химического оборудования был изготовлен конденсатор для производства диоксида серы из углеродистой стали 20R с толщиной листа 8 мм. Продольный сварной шов цилиндрического корпуса представлял собой стыковое соединение с V-образным пазом, а в качестве сварочного процесса использовалась дуговая сварка в защитном металле. Процедура сварки приведена в таблице 5-5.
Таблица 5-5: Карта сварочного процесса для соединения электродуговой сварки
| Технологическая карта сварки для стыковой сварки | Номер: | ||
| Материал основания: | Материал основания: | 20R | 20R |
| Толщина основного материала: | 8 мм | 8 мм | |
| Положение для сварки: | Плоская сварка | ||
| Техника сварки: | Прямая сварочная бусина | ||
| Температура предварительного нагрева: | Комнатная температура | ||
| Межпроходная температура | 150℃ | ||
| Последовательность сварки | |||
| 1 | Проверьте размеры пазов и качество поверхности. | ||
| 2 | Очистите паз и удалите из него масло или грязь. | ||
| 3 | Выполните прихваточную сварку снаружи, используя технику сварки первого слоя, длиной 30-50 мм. | ||
| 4 | Приварите внутренние слои, с 1-го по 3-й. | ||
| 5 | Используйте Воздушная строжка с угольной дугой очистить корень снаружи, затем отшлифовать шлифовальным кругом. | ||
| 6 | Приварите внешний слой. | ||
| 7 | Очистите брызги после сварки. | ||
| 8 | Выполните визуальный осмотр. | ||
| 9 | Проведение неразрушающего контроля. | ||
Технические параметры сварки
| Количество проходов | Метод сварки | Марка сварочного материала | Спецификация сварочных материалов | Тип тока и полярность | Сварочный ток/А | Напряжение дуги/В | Скорость сварки (мм/длина) | Примечания |
| 1 | SMAW | J427 | 3.2 | DCEP | 90~120 | 22~24 | 90~130 | |
| 2~4 | SMAW | J427 | 4 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 140~180 |
(2) Ручная сварка TIG для закрытия дна и дуговая сварка электродом для заполнения и сварки крышки из низкоуглеродистой стали, например
При использовании вышеупомянутого оборудования закрывающий шов корпуса цилиндра диаметром всего ϕ616 мм требует полностью проникающего шва.
На заводе используется сварка TIG для закрытия дна и электродуговая сварка для заполнения и крышки, как показано в процессе сварки в таблице 5-6.
| Технологическая карта стыковой сварки | Номер | ||||
| Материал основания: | Материал основания: | 20R | 20R | ||
| Толщина основного материала: | 8 мм | 8 мм | |||
| Положение для сварки: | Плоская сварка | ||||
| Техника сварки: | Прямой сварной шов | ||||
| Температура предварительного нагрева: | Комнатная температура | ||||
| Межпроходная температура: | ≤150℃ | ||||
| Диаметр сопла | 16 мм | Экранирующий газ | Ar | ||
| Диаметр вольфрамового электрода | 2,5 мм | Передняя сторонаЗадняя сторона | Передняя сторона | 8~10 | |
| Задняя сторона | |||||
| Последовательность сварки | |
| 1 | Проверьте размеры пазов и качество поверхности. |
| 2 | Очистите паз и удалите из него масло или грязь. |
| 3 | Выполните прихватку снаружи, используя технику сварки первого слоя, длиной 10-15 мм. |
| 4 | Для сварки 1-го и 2-го проходов используйте сопло диаметром 20 мм, а для остальных проходов перейдите на сопло диаметром 25 мм. Чтобы предотвратить ламинарный разрыв боковой пластины, проволока не должна колебаться во время сварки 4-го, 6-го, 9-го и 12-го проходов и должна быть наклонена к боковой пластине. Толщина каждого прохода должна контролироваться в пределах 5 мм. |
| 5 | Очистите брызги после сварки. |
| 6 | Выполните визуальный осмотр. |
| 7 | Проведение неразрушающего контроля. |
Технические параметры сварки
| Канал слоя | метод сварки | Марка сварочного материала | Спецификации сварочных материалов | Тип тока и полярность | Сварочный ток/А | Напряжение дуги/В | Скорость сварки/[мм/мин (шт.)] |
| 1 | GTAW | H10MnSi | Φ2.5 | DCEN | 90~120 | 10-11 | 50-80 |
| 2 | SMAW | J427 | Φ4 | DCEP | 140-170 | 22-24 | 140-180 |
| 3 | SMAW | J427 | Φ5 | DCEP | 170-210 | 22-24 | 150-200 |
(3) Пример сварки низкоуглеродистой стали в защитном газе CO2: Опорная крышка для водяной турбины, изготовленная из стали Q235 с использованием газовой сварки в защитной среде CO2. Используется сварочная проволока ER49-1 (H08Mn2SiA) диаметром 1,6 мм. Процесс сварки описан в таблице 5-7.
Таблица 5-7 Технологическая карта сварки в защитной среде углекислого газа
| Технологическая карта стыковой сварки | Номер: | |||
 | Материал основы | Q235 | Q235 | |
| Толщина основного материала | 30 мм | 50 мм | ||
| Положение для сварки | Плоская сварка | |||
| Технология сварки | Прямой сварной шов | |||
| Температура предварительного нагрева | Комнатная температура | |||
| Температура прослойки | ≤ 150 ℃ | |||
| Диаметр сопла | Φ20 мм Φ25 мм | Защитный газ | CO2 | |
| Расход газа л/мин | Фронт | 20-25 | ||
| Назад | ||||
| Последовательность сварки | |
| 1 | Проверьте размеры пазов и качество поверхности. |
| 2 | Очистите канавку и все загрязнения или масляные пятна вокруг нее. |
| 3 | Выполните прихватку снаружи, используя процесс сварки первого слоя, длиной 10-15 мм. |
| 4 | Для первого и второго проходов используйте сопло диаметром 20 мм, а для остальных проходов перейдите на меньшее сопло диаметром 25 мм. Чтобы предотвратить разрыв слоя на боковой пластине, сварочная проволока не должна колебаться при сварке проходов 4, 6, 9 и 12, а должна быть наклонена к боковой пластине. Толщина каждого прохода должна контролироваться в пределах 5 мм. |
| 5 | Уберите все брызги после сварки. |
| 6 | Проведите визуальный осмотр. |
| 7 | Проведение неразрушающего контроля. |
Технические параметры сварки
| Канал слоя | метод сварки | Марка сварочного материала | Спецификации сварочных материалов | Сварочный ток/А | Напряжение дуги/В | Расход газа (л/мин) | Частота колебаний/(об/мин) | Качели/мм |
| 1, 2 | Сварка в защитном газе CO2 | H08Mn2SiA | Φ1.6 | 250-300 | 28-30 | 20 | 50 | 4-6 |
| 4, 6, 9, 12 | Ditto | Ditto | Φ1.6 | 200-250 | 26-28 | 20 | – | – |
| остальное | Ditto | Ditto | Φ1.6 | 300-350 | 30-32 | 25 | 50 | 8-12 |
(1) Пример сварки среднеуглеродистой стали с помощью электродуговой сварки
Приварка стального вала 35# к фланцу на определенной верфи. Обратитесь к процессу сварки в таблице 5-8.
| Технологическая карта стыковой сварки | Номер | |||
Эскиз соединения:  | Материал основания: | 35 | 35 | |
| Толщина основного материала: | 50 мм | 50 мм | ||
| Положение для сварки: | Вертикальная сварка | |||
| Техника сварки: | Прямой сварной шов | |||
| Температура предварительного нагрева: | 150~200℃ | |||
| Межпроходная температура: | 150~200℃ | |||
| Последовательность сварки и основные моменты: | |
| 1 | Проверьте размер и качество поверхности канавки. |
| 2 | Удалите масло и другие загрязнения из паза и его окрестностей. |
| 3 | Выполните позиционную сварку с длиной 50 мм. |
| 4 | Установите собранный вал в горизонтальное положение для сварки, а для облегчения удаления шлака применяйте сварку в вертикальном положении. |
| 5 | Разделите сварной шов на 6 или 4 секции по окружности, используя метод сварки с пропуском для предотвращения деформации. |
| 6 | При сварке первого слоя скорость движения должна быть низкой, чтобы избежать истончения и легкого разрушения шва. |
| 7 | При гашении дуги заполните дуговую яму, чтобы избежать образования трещин. |
| 8 | Перед сваркой обратной стороны отшлифуйте корень шва с помощью углового шлифовального круга, а после тщательной зачистки выполните сварку. |
| 9 | Выполните послесварочный контроль в соответствии с требованиями. |
Технические параметры сварки
| Количество проходов | Метод сварки | Марка сварочного материала | Спецификация сварочных материалов | Сварочный ток/А | Напряжение дуги/В | Скорость потока газа/(л/мин) | Частота колебаний/(об/мин) | Примечания |
| 1 | SMAW | J507 | 4.0 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 100~140 | |
| Другие | SMAW | J507 | 4.0 | DCEP | 140~170 | 22~24 | 140~180 |
(2) Пример углеродистой стали ремонт механических деталей с помощью дуговой сварки в защитных слоях металла
На одном из заводов была обнаружена трещина в штоке поршня (диаметр 280 мм) пневматического молотка. Для ремонта была использована дуговая сварка в защитном металле.
Сначала в трещине была сделана U-образная канавка, после чего трещина была тщательно зачищена. Температура предварительного нагрева зоны сварки была повышена до 150℃, а для сварки использовался сварочный электрод J507 диаметром φ3,2 мм, при этом сварочный ток составлял 100-120А.
Для предотвращения деформации применялась симметричная сварка с чередованием. Сразу после сварки проводился местный отпуск с использованием пламени, при этом сварной шов и прилегающие участки нагревались до темно-красного цвета, а затем давалось время на охлаждение на воздухе. После некоторого времени использования результат сварки был очень хорошим.
Низколегированная сталь - это тип стали, в которой к углеродистой стали добавляются различные легирующие элементы, общая массовая доля которых не превышает 5%. Эти легирующие элементы добавляются для повышения прочности, пластичности, вязкости, коррозионной стойкости, жаропрочности или других специальных свойств стали.
Эти виды стали широко используются в судах, мостах, котлах, сосудах под давлением, трубопроводах, традиционном и атомном энергетическом оборудовании, различных транспортных средствах, тяжелом машиностроении, морской и строительной промышленности. В настоящее время они стали наиболее важными конструкционными материалами в крупных сварных конструкциях.
Некоторые распространенные низколегированные стали, используемые в сварочном производстве, после рассмотрения их характеристик и областей применения можно условно разделить на две категории. Первая категория - это высокопрочная сталь, которая в основном используется для изготовления механических деталей и инженерных конструкций, которые должны выдерживать статические и динамические нагрузки в нормальных условиях.
Вторая категория - специальные стали, которые в основном используются для изготовления механических деталей и инженерных конструкций, работающих в особых условиях. Ассортимент высокопрочных сталей очень широк, и любая сталь с предел текучести σs ≥ 295 МПа и пределом прочности при растяжении σb ≥ 395 МПа называется высокопрочной сталью.
В рамках этой категории, исходя из уровня предела текучести и состояния термической обработки, их можно разделить на три типа: горячекатаные и нормализованные стали, низкоуглеродистые низколегированные стали. закалка и отпуск стали, а также среднеуглеродистые закаленные и отпущенные стали.
Сталь, поставляемая и используемая в горячекатаном или нормализованном состоянии, называется горячекатаной и нормализованной сталью, которая включает горячекатаную сталь и нормализованную сталь. К этому типу стали с пределом текучести 295-490 МПа в основном относятся стали Q295-Q460 в GB/T 1591-2008 "Низколегированная высокопрочная конструкционная сталь".
Низколегированные стали с пределом текучести 295-390 МПа - это в основном горячекатаные стали, которые достигают высокой прочности за счет упрочняющего эффекта твердого раствора легирующего элемента марганца.
Среди них Q345 является наиболее широко используемой высокопрочной сталью в Китае. Q345 можно разделить на пять классов качества, при этом Q345A эквивалентен старому обозначению 16Mn, а Q345C - сталям 16Mng и 16MnR, используемым для котлов и сосудов под давлением.
Низколегированные стали с пределом текучести более 390 МПа обычно используются в нормализованном или нормализованном и отпущенном состоянии, например Q420. После нормализации углерод и нитридные соединения выпадают из твердого раствора в виде мелких частиц. Это не только повышает прочность стали, но и обеспечивает содержание в ней определенного количества легирующих и микролегирующих элементов.
Разница в свариваемости между горячекатаными и нормализованными сталями и углеродистыми сталями заключается в основном в изменении микроструктуры и свойств зоны термического влияния, которые более чувствительны к подводу сварочного тепла. Тенденция к закалке в зоне термического влияния увеличивается, и они более восприимчивы к трещинам, вызванным водородом.
Горячекатаные и нормализованные стали, содержащие углерод и нитридообразующие элементы, также подвержены риску повторного термического растрескивания. Однако в целом их свариваемость относительно хорошая. Необходимо понимать характеристики и особенности свариваемости различных типов горячекатаных и нормализованных сталей, чтобы разработать правильные процедуры сварки и обеспечить качество сварки.
(1) Изменения микроструктуры и свойств в зоне термического влияния сварного шва
В зависимости от пиковой температуры, достигнутой в зоне термического влияния сварки, ее можно разделить на зону сплавления, крупнозернистую зону, мелкозернистую зону, зону неполного превращения и зону отпуска. Микроструктура и свойства в различных областях зоны термического влияния зависят от химического состава стали и скорости нагрева и охлаждения во время сварки.
Если скорость охлаждения при сварке не контролируется должным образом, локальные участки в зоне термического влияния могут подвергнуться закалке или развить хрупкие структуры, что приведет к снижению трещиностойкости или вязкости. Зона крупного зерна и зона неполного превращения - две слабые области в сварном соединении.
При сварке горячекатаной стали при слишком высоком подводе тепла в зоне крупного зерна может наблюдаться сильный рост зерна или наличие структур Видманштеттена, что приводит к снижению вязкости. И наоборот, при слишком низком подводе сварочного тепла доля мартенсита в зоне крупного зерна может увеличиться, что приведет к снижению вязкости.
При сварке нормализованной стали на характеристики крупнозернистой зоны более существенно влияет величина сварочного нагрева. Большое количество сварочного тепла может привести к образованию крупнозернистого бейнита или верхнего бейнита в крупнозернистой зоне, что значительно снижает ее вязкость.
Зона неполного превращения в зоне термического влияния сварного шва подвергается охрупчиванию во время сварочного нагрева. Контроль скорости охлаждения при сварке для предотвращения образования хрупкого мартенсита является мерой по предотвращению охрупчивания зоны неполного превращения.
(2) Термическое деформационное охрупчивание
Термическое деформационное охрупчивание - это тип деформационного старения, возникающий во время сварки под совместным воздействием тепла и деформации. Оно вызывается присутствием растворенного азота и наиболее выражено при температурах 200-400℃. В основном оно возникает в низкоуглеродистых и низколегированных сталях с низкой прочностью, содержащих растворенный азот.
Эффективной мерой по устранению термического деформационного охрупчивания является послесварочная термообработка. После отжига для снятия напряжения при температуре около 600℃ вязкость материала может быть восстановлена до первоначального уровня. Например, как Q345, так и Q420 (15MnVN) имеют склонность к термическому деформационному охрупчиванию после сварки. Однако после обработки отжигом при температуре 600℃ в течение 1 часа прочность восстанавливается до нормального уровня.
(3) Сварочные трещины
1) Индуцированное водородом растрескивание:
Растрескивание при сварке, вызванное водородом, обычно известно как холодное или замедленное растрескивание. Это наиболее серьезный дефект технологического процесса и часто основная причина разрушения и излома сварных конструкций. Индуцированные водородом трещины при сварке горячекатаной и нормализованной стали в основном возникают в зоне термического влияния сварного шва, а иногда и в металле шва.
Среди трех факторов, способствующих образованию холодных трещин, один, связанный с материалом, - наличие закаленных структур. В горячекатаных и нормализованных сталях добавление легирующих элементов увеличивает склонность к закалке по сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Например, при сварке сталей Q345 и Q390 быстрое охлаждение может привести к образованию закаленных мартенситных структур и повышенной склонности к образованию холодных трещин.
Однако из-за относительно низкого углеродного эквивалента горячекатаных сталей склонность к холодному растрескиванию обычно невелика. Однако в низкотемпературных условиях или при использовании толстых стальных листов необходимо принимать меры для предотвращения появления холодных трещин. Для нормализованных сталей с более высоким содержанием легирующих элементов увеличивается склонность к закалке в зоне термического влияния сварного шва.
Для нормализованных сталей с низким уровнем прочности и углеродным эквивалентом склонность к холодному растрескиванию невелика. Однако с увеличением уровня прочности и толщины листа закаливаемость и склонность к холодному растрескиванию также возрастают. Для предотвращения появления холодных трещин необходимо контролировать подачу тепла при сварке, снижать содержание водорода, проводить предварительный подогрев и своевременную послесварочную термообработку.
2) Горячее растрескивание:
По сравнению с углеродистыми сталями горячекатаные и нормализованные стали имеют более низкое содержание углерода (wC) и серы (wS), а также более высокое содержание марганца (wMn), что приводит к меньшей склонности к образованию горячих трещин. Однако иногда горячие трещины могут возникать в металле шва, например, в корневой части многопроходных дуговых швов под флюсом или в швах с высоким разбавлением вблизи кромок канавок при производстве толстостенных сосудов высокого давления.
Использование сварочных материалов с более высоким содержанием Mn и Si, снижение тепловой нагрузки при сварке, уменьшение коэффициента проплавления основного металла в шве и увеличение коэффициента формы шва (т.е. отношения ширины шва к его высоте) могут помочь предотвратить образование горячих трещин в металле шва.
При сварке больших толстолистовых конструкций, например, в морской технике, ядерных реакторах и судах, если сталь подвергается значительному растягивающему напряжению в направлении толщины, может произойти пластинчатый разрыв вдоль направления прокатки стали. Этот тип трещин часто возникает в угловых или Т-образных соединениях, требующих полного проникновения.
Для предотвращения пластинчатого разрыва важно выбирать стали, устойчивые к пластинчатому разрыву, улучшать конструкцию соединения, чтобы уменьшить напряжение и деформацию в направлении толщины стальная пластина. Кроме того, использование сварочных материалов меньшей прочности или применение низкопрочных сварочных материалов для подготовки кромок, а также предварительный нагрев и меры по снижению содержания водорода могут помочь предотвратить разрыв ламелей, обеспечивая при этом соответствие изделия требуемым техническим характеристикам.
Горячекатаные и нормализованные стали можно сваривать такими широко используемыми методами, как дуговая сварка в защитной оболочке, дуговая сварка в газовой среде, дуговая сварка под флюсом, сварка вольфрамовым электродом в среде инертного металла. газовая сваркаи дуговая сварка с порошковым покрытием.
Выбор конкретного метода сварки зависит от структуры свариваемого изделия, толщины листа, эксплуатационных требований и условий производства. Обычно используются дуговая сварка в защитной оболочке, дуговая сварка под флюсом, сварка сплошной проволокой и порошковой проволокой, сварка в защитном газе CO2.
При выборе сварочных материалов для горячекатаных и нормализованных сталей в первую очередь необходимо убедиться, что прочность, пластичность и вязкость металла шва соответствуют техническим требованиям к изделию.
Кроме того, следует учитывать такие факторы, как трещиностойкость и эффективность сварочного производства.
1) Выбор сварочных материалов в зависимости от требований к производительности сварного шва
При сварке горячекатаных и нормализованных сталей обычно рекомендуется выбирать сварочные материалы с прочностью, сопоставимой с прочностью основного металла. Вязкость, пластичность и прочность металла шва должны рассматриваться комплексно. Если фактическая прочность сварного шва или сварного соединения не ниже требований к изделию, то это допустимо.
2) Учитывать влияние условий процесса при выборе сварочных материалов
При выборе сварочных материалов следует также учитывать такие факторы, как конструкция канавки и соединения, методы послесварочной обработки и другие условия процесса.
(2) При выборе сварочных материалов следует также учитывать влияние условий процесса, таких как конструкция канавки и соединения, а также методы послесварочной обработки.
1) Влияние конструкции канавки и соединения
При сварке одной и той же стали одним и тем же сварочным материалом производительность шва может отличаться в зависимости от конструкции канавки. Например, при использовании флюса HJ431 для дуговой сварки под флюсом стали Q345 без скошенных кромок в металл шва вплавляется большее количество основного металла. В этом случае использование проволоки H08A с более низким содержанием сплава и флюса HJ431 может удовлетворить требования к механическим характеристикам сварного шва.
Однако при сварке толстых листов из стали Q345 со скошенными кромками использование одной и той же комбинации H08A-HJ431 может привести к снижению прочности шва из-за меньшего коэффициента проплавления основного металла. В таких случаях рекомендуется использовать проволоку с более высоким содержанием сплава, например H08MnA или H10Mn2, в сочетании с флюсом J431.
2) Влияние методов послесварочной обработки
Когда сварное соединение подвергается последующей горячей прокатке или термообработке, важно учитывать влияние высокотемпературного теплового воздействия на свойства металла шва. Даже после термообработки металл шва должен обладать требуемой прочностью, пластичностью и вязкостью.
В таких случаях следует выбирать сварочные материалы с более высоким содержанием легирующих элементов. С другой стороны, для сварных соединений, подвергающихся последующей холодной прокатке или холодной штамповке, от металла шва требуется более высокая пластичность.
(3) Для толстых листов, конструкций с большими нагрузками и конструкций, склонных к холодному растрескиванию, рекомендуется использовать сварочные материалы с ультранизким содержанием водорода для повышения трещиностойкости и снижения температуры предварительного нагрева.
В случае толстых листов и сварных соединений с большим усилием первый слой шва наиболее подвержен растрескиванию. В таких случаях можно выбрать сварочные материалы с несколько меньшей прочностью, но хорошей пластичностью и вязкостью, например, с низким или сверхнизким содержанием водорода.
(4) Для критических сварочные работыВ таких областях, как морские нефтяные платформы, сосуды под давлением и корабли, где безопасность имеет первостепенное значение, сварные швы должны обладать превосходной низкотемпературной ударной вязкостью и вязкостью разрушения. Следует выбирать сварочные материалы с высокой прочностью, такие как высокоосновной флюс, высокопрочные проволоки, электроды, высокочистые защитные газы и использование смешанных защитных газов Ar+CO2.
(5) Для повышения производительности можно использовать высокоэффективные электроды с железным порошком, гравитационные электроды, порошковые проволоки с высокой скоростью осаждения и высокоскоростные флюсы. При сварке вертикально вверх можно использовать сварочные электроды, направленные вниз.
(6) Для улучшения гигиенических условий при проведении сварочных работ в плохо проветриваемых помещениях (таких как отсеки судов, сосуды под давлением и т.д.) рекомендуется использовать сварочные электроды с низким содержанием пыли и токсичности.
Таблица 5-9: Примеры часто используемой сварки выбор материала для горячекатаных и нормализованных сталей
| Марка стали | Сварочный пруток тип/класс | Дуговая сварка под флюсом | Сварочная проволока в газовой защите CO2 | |
| Сварочная проволока | флюс | |||
| Q295 | E3XX тип J2X | H08.HI0MnA | HJ431 SJ301 | H10MnSi H08Mn2Si |
| Q345 | Тип E50XX/J50X | I-образное стыковое соединение с фаской: Используйте электрод H08A. Пластина средней толщины со скошенным швом Используйте электрод H08MnA или H10Mn2. Толстая пластина с глубоким коническим швом Используйте электрод H0Mn2. | HJ431 | H08Mn2Si |
| HJ350 | ||||
| Q390 | Тип E50XX / J50X Тип E50XX-G / J55X | I-образное стыковое соединение с фаской Используйте электрод H08MnA. Пластина средней толщины со скошенным швом Используйте электрод H10Mn2 или H10MnSi. Толстая пластина с глубоким коническим швом Используйте электрод H10MnMoA. | HJ431 | H08Mn2SiA |
| HJ250 HJ350 | ||||
| Марка стали | Тип/сорт сварочного прутка | Дуговая сварка под флюсом | CO2 сварочная проволока в газовой защите | |
| Сварочная проволока | Флюс | |||
| Q420 | Тип E60XX / J55X, J60X | H08Mn2MoA H04MnVTiA | HJ431 HJ350 | – |
| 8MnMoNb | Тип E70XX / J60X, J707Nb | H08MN2MoA H08Mn2MoVA | HJ431 HJ350 | – |
| X60 | E4311/J425XG | H08Mn2MoVA | HJ431 SJ101 | – |
(1) Предварительная подготовка к сварке
Предварительная подготовка к сварке включает в себя подготовку скосов, сушку сварочных материалов, предварительный нагрев и регулирование температуры в межпроходном пространстве, а также позиционирование сварки.
1) Подготовка скосов.
Для горячекатаной и нормализованной стали фаски могут быть подготовлены методами холодной обработки и термической резки, например, ножницами, газовая резка, строжка угольной дугой, плазменная резка и т. д. Для высокопрочных сталей, хотя на кромке при термической резке может образоваться закаленный слой, он может быть вплавлен в сварной шов при последующей сварке без ухудшения качества сварки.
Поэтому предварительный нагрев перед резкой обычно не требуется, а сварка может выполняться непосредственно после резки без необходимости механической обработки.
2) Сварочные материалы должны быть высушены в соответствии с правилами.
3) Температура предварительного нагрева и промежуточная температура.
Предварительный подогрев позволяет контролировать скорость охлаждения при сварке, уменьшить или избежать образования закаленного мартенсита в зоне термического влияния, снизить твердость зоны термического влияния, а также уменьшить сварочные напряжения. Он также может способствовать удалению водорода из сварного соединения.
Поэтому предварительный подогрев является эффективной мерой для предотвращения образования трещин, вызванных водородом при сварке. Однако предварительный подогрев часто ухудшает условия труда и усложняет производственный процесс. Неправильный или чрезмерно высокий предварительный подогрев и зона сварки температуры также могут нарушить характеристики сварного соединения.
Поэтому вопрос о необходимости предварительного подогрева перед сваркой и выборе разумной температуры предварительного подогрева должен быть тщательно рассмотрен или определен путем испытаний.
Основными факторами, влияющими на температуру предварительного нагрева, являются состав стали (углеродный эквивалент), толщина листа, форма и ограничение сварная конструкция, температура окружающей среды и содержание водорода в используемых сварочных материалах.
В таблице 5-10 приведены рекомендуемые температуры предварительного подогрева для горячекатаных и нормализованных низколегированных высокопрочных сталей различных уровней прочности. При многопроходной сварке толстых листов, чтобы способствовать выходу водорода из зоны сварки и предотвратить образование трещин, вызванных водородом, в процессе сварки, температуру межпроходного слоя следует контролировать не ниже температуры предварительного нагрева, а также проводить необходимую промежуточную термообработку для удаления водорода.
Таблица 5-10: Рекомендуемые температуры предварительного нагрева и параметры послесварочной термообработки для горячекатаной и нормализованной стали
| Марка стали | Температура предварительного нагрева/°C | Характеристики послесварочной термообработки для дуговой сварки | |
| Модель/Тип | Класс | ||
| Q295 | 09Mn2 09MnNb 09MnV | Без предварительного нагрева (для толщины листа ≤16 мм) | Не требуется термическая обработка |
| Q345 | 16 Мн 14MnNb | 100~150（8≥30mm） | 600~650℃Отжиг |
| Q390 | 15MnV 15MnTi 16MnNb | 100~150（≥28 мм） | 550℃ или 650℃Отжиг |
| Q120 | 15MnVN 14MnVTiRE | 100~150（≥25mm） | |
| 14MnMoV 18MnMoNb | ≥200 | 600~650℃Отжиг | |
4) Позиционная сварка.
При позиционной сварке следует использовать тот же сварочный пруток, что и при формальной сварке, и строго следовать спецификациям процедуры сварки. Длина, площадь поперечного сечения и расстояние между позиционными швами также должны быть указаны, при необходимости может потребоваться предварительный подогрев.
После позиционной сварки следует провести тщательный осмотр, а обнаруженные трещины удалить и заварить заново. Чтобы снизить напряжение и предотвратить растрескивание позиционных сварных швов, следует по возможности избегать принудительной сборки.
(2) Определение тепловой мощности сварки
Изменение подводимого сварочного тепла приводит к изменению скорости охлаждения при сварке, тем самым влияя на состав металла шва и зоны термического влияния, а в конечном итоге - на механические свойства и трещиностойкость сварного соединения.
Поэтому для обеспечения прочности металла шва следует избегать чрезмерного нагрева при сварке. Во время сварки рекомендуется свести к минимуму поперечные колебания и пропуск сварки, а вместо этого использовать многопроходную сварку узким швом.
Горячекатаная сталь может выдерживать больший нагрев при сварке. Для низкоуглеродистых горячекатаных сталей (таких как 09Mn2, 09MnNb) и низкоуглеродистой стали 16Mn не существует строгих ограничений на величину сварочного нагрева, поскольку эти стали менее подвержены охрупчиванию и холодному растрескиванию в зоне термического влияния.
Однако при сварке высокоуглеродистой стали 16Mn следует использовать немного большее количество сварочного тепла, чтобы уменьшить склонность к закалке и предотвратить образование холодных трещин. Для сталей, содержащих микролегирующие элементы, такие как V, Nb и Ti, чтобы уменьшить охрупчивание крупнозернистой зоны в зоне термического влияния и обеспечить превосходную низкотемпературную вязкость, следует выбирать меньший коэффициент нагрева при сварке.
Для нормализованных сталей с более высоким содержанием углерода и элемент сплава и пределом текучести 490 МПа, например, 18MnMoNb, при выборе теплового ввода необходимо учитывать как прокаливаемость стали, так и склонность к перегреву в крупнозернистой зоне зоны термического влияния.
Как правило, для обеспечения вязкости зоны термического влияния следует выбирать меньшую тепловую нагрузку. Кроме того, для предотвращения образования холодных трещин в сварном соединении следует использовать методы сварки с низким содержанием водорода, а также соответствующий предварительный подогрев или своевременную обработку для удаления водорода после сварки.
(3) Послесварочная термическая обработка и обработка для удаления водорода
1) Послесварочная термическая обработка и удаление водорода.
Послесварочная термообработка подразумевает немедленный нагрев сваренного компонента или сварной зоны до температуры в диапазоне 150-250°C и выдержку в течение определенного периода времени. Обработка с удалением водорода, с другой стороны, включает в себя выдержку детали или сварной зоны при температуре в диапазоне 300-400°C в течение определенного периода времени.
Цель обеих обработок - ускорить диффузию и выход водорода из сварного соединения, причем обработка для удаления водорода более эффективна, чем послесварочная термическая обработка.
Своевременная послесварочная термическая обработка и удаление водорода являются эффективными мерами по предотвращению холодного растрескивания в сварных соединениях, особенно для толстолистовых сварных соединений из таких сталей, как 14MnMoV и 18MnMoNb, которые сильно подвержены растрескиванию под воздействием водорода.
Этот процесс не только снижает температуру предварительного нагрева и облегчает труд сварщиков, но и позволяет снизить тепловую нагрузку при сварке, в результате чего получаются сварные соединения с отличными общими механическими свойствами.
Для толстостенных сосудов высокого давления и других ответственных конструктивных элементов толщиной более 100 мм рекомендуется выполнять не менее 2-3 промежуточных процедур удаления водорода в процессе многопроходной сварки для предотвращения накопления водорода и возможного образования трещин, вызванных водородом.
2) Послесварочная термическая обработка.
Горячекатаные, контролируемые и нормализованные стали обычно не требуют послесварочной термической обработки. Однако для сварных швов и зоны термического влияния, образующейся при дуговой сварке под флюсом, которые имеют тенденцию к крупнозернистости, послесварочная нормализующая обработка необходима для уточнения зерновой структуры.
Для толстостенных сосудов высокого давления, сосудов, требующих коррозионной стойкости под напряжением, и сварных конструкций, требующих стабильности размеров, после сварки требуется обработка для снятия напряжений, чтобы устранить остаточные напряжения.
Кроме того, для высокопрочных сталей с высокой восприимчивостью к холодному растрескиванию также необходима своевременная обработка для снятия напряжения после сварки. Рекомендуемые параметры послесварочной термообработки для различных низколегированных высокопрочных сталей приведены в таблице 5-10.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO