металла шва элементов, препятствующих образованию интерметаллических соединений.

Перспективными способами сварки разнородных сплавов могут являться сварка взрывом, ультразвуком, трением, диффузионная, а также вакуумные способы сварки, обеспечивающие высокую концентрацию энергии в зоне нагрева, электронно-лучевая и лазерная. При использовании лучевых способов сварки возможно строгое регулирование доли участия каждого из соединяемых материалов в формировании сварного шва.

Особые требования, в некоторой степени противоположные требованиям, выдвигаемым при сварке поликристаллических материалов,предъявляют к металлу шва и зоне сплавления в случае сварки монокристаллических материалов. При сварке поликристаллов образование в металле шва равноосных произвольно ориентированных кристаллов в большинстве случаев рассматривают как положительное явление. При сварке монокристаллов основным требованием является сохранение кристаллографической ориентации металла шва соответствующей кристаллографической ориентации свариваемых пластин. Образование в металле шва значительной разориентации (более 5°) и тем более равноосных зерен с произвольной кристаллографической ориентацией резко ухудшает работоспособность сварных соединений и снижает их эксплуатационные характеристики.

Как показали исследования по сварке монокристаллов тугоплавких металлов, основными причинами нарушения монокристаллической структуры металла шва могут явиться повышенное содержание примзсей, находящихся в металле перед сваркой или попадающих в металл шва в процессе сварки, и термические циклы сварки, сопровождающиеся существенным искажением осей растущих кристаллитов, в результате чего в процессе роста может наблюдаться существенное отклонение кристаллографических осей растущих кристаллитов от соответствующих кристаллографических направлений основного металла (затравки).

Успешные результаты по сварке [5] монокристаллов тугоплавких металлов толщиной около 1-1,5 мм были получены при использовании электронно-лучевой сварки на режимах, обеспечивающих высокие скорости сварки (>70 м/ч), малую протяженность растущих субзерен и малую степень искривления их осей в процессе роста. При этих режимах углы разориентировки 6 по центральной субгранице, образующейся на стыке растущих от линии сплавления субзерен, не превышают 2-3 ° (рис. 5). Испытания на прочность при изгибе сварных соединений монокристаллов вольфрама и основного металла показали, что прочность сварных соединений, выполненных со скоростями сварки более 70 м/ч, не ниже, а при некоторых ориентациях пластин и выше, чем прочность несваренных монокристаллов (рис. 6).

Ко второй зоне примыкает зона нагрева стали до температуры выше температуры фазовых превращений (температура в интервале от Лсд до линии солидуса). Общей характеристикой этой зоны является то, что в металле зоны могут происходить полные структурные и фазовые превращения, характерные для металла. В этой достаточно широкой температурной зоне может быть выделено несколько участков. Непосредственно к зоне сплавления прилегает участок нагрева металла до температуры, близкой к температуре линии солидуса, и выше 1000° С - участок перегрева. Так же как в зоне сплавления, на этом участке наблюдается существенное изменение состава и свойств металла. Зона сплавления и участок перегрева - это места вероятного образования горячих и холодных трещин в сплавах, склонных к такого рода дефектам. В низкоуглеродистой стали в зоне нагрева с температурой более 1000° С наблюдается существенный рост зерна, особенно при электрошлаковой и газовой сварках, а иногда и образование вид-манштеттовой структуры.

К этой зоне относится и второй участок - полной перекристаллизации. На этом участке металл был нагрет до температуры выше температуры фазовых превращений, однако температура нагрева и время пребывания металла при этой температуре были таковы, что существенного роста зерна не наблюдалось. Общим для всех зон металла, нагреваемого при сварке до температуры выше температуры

6а,кгс/мм

фазовых превращений, является образование в закаливающихся сплавах закалочных структур, что приводит к снижению пластических свойств металла и при определенных условиях к образованию хрупкого разрушения как в процессе формирования сварного соединения (холодные трещины), так и в процессе эксплуатации изделий.

Наибольшую опасность образование закалочных структур представляет для углеродистой стали с содержанием углерода более 0,3%, низколегированной и среднелегированной стали, титановых сплавов и др., причем при том же содержании углерода чувствительность стали к образованию закалочных структур (мартенсита) и склонность к образованию трещин тем выше, чем больше в стали содержится легирующих элементов. Степень влияния отдельных легирующих

Рис. 6. Изменение прочности сварных соединений при изгибе a в зависимости от скорости сварки Уев

Рис. 5. Изменение угла разориентировки 6° по центральной субгранице монокристаллического сварного шва в зависимости от скорости сварки Усв

элементов различна и может быть оценена по различным признакам, одним из которых является эквивалент по углероду. Наиболее распространенная формула для подсчета эквивалента по углероду

Сг . V . Мо . Ni . Си . Р

Сэ = С-

Мп 6

+ - + -Г + ~Г + Т5+ 13 2*

При величине Сэ = 0,45% сталь склонна к образованию трещин при сварке . и требуются специальные технологические мероприятия для устранения этого нежелательного явления. Эти мероприятия в основном сводятся к следующему.

1. Создание термического цикла сварки, устраняющего образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогрев, сварка короткими участками и др.). При сварке с предварительным и сопутствующим подогревом в зависимости от состава сплава температура подогрева колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен градусов. В случае сварки с предварительным подогревом снижается мгновенная скорость охлаждения при всех температурах и особенно в области температур наименьшей устойчивости аустенита. При сварке с сопутствующим подогревом можно задавать любую скорость охлаждения в интервале температур фазовых и структурных превращений.

2. Снижение содержания водорода в металле сварного соединения (улучшение защиты металла сварочной ванны, тщательная подготовка поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, использование флюсов и электродных обмазок с низким содержанием водорода и его соединений и др.).

3. Термическая обработка сваренного изделия непосредственно после сварки.

4. Применение технологических приемов, снижающих остаточные напряжения (сварка каскадом, применение приспособлений, создающих напряжения сжатия, и др.).

Четвертой зоной сварного соединения является зонанагрева металл а до темпер а-турыотлинииЛсхДО линииЛсз-зона частичной перекристаллизации. Структурные изменения в этой зоне, какправило, не оказываютсущественного влияния на свойства сварного соединения при сварке стали в состоянии после отжига. Однако эти изменения следует учитывать в тех случаях, когда производят сварку закаленного

металла, так как в этой зоне вследствие распада закалочных структур происходит разупрочнение металла.

Такое же явление наблюдается и в зоне нагрева металла до температур более 500° С, но ниже температуры линии Aci, - зоне высокотемпературного отпуска или рекристаллизации (зоне старения для некоторых материалов).

Рис. 7. Зона теплового воздействия и изменения твердости при дуговой сварке стали ЗОХГСА

Рис. 8. Влияние температуры нагрева и времени выдержки на склонность стали 12Х18Н9 к межкри-сталлитной коррозии [1]

В этой зоне наблюдается разупрочнение металла, свариваемого в состоянии после упрочняющей термообработки (закалки или закалки с последующим низкотемпературным отпуском и др.) или в наклепанном состоянии (рис. 7). При сварке углеродистой стали (до 0,3% С) в этой зоне может иметь место снижение ударной вязкости, связанное со старением после закалки или с дисперсионным твердением.

Зона нагрева металла до температуры, близкой к Ас, является слабым участком (участком разупрочнения) при сварке термически упрочняемой стали перлитного и мартенситного классов как при комнатных, так и при высоких температурах. В связи с этим длительная прочность сварных соединений термически упрочняемой стали может быть существенно ниже длительной прочности основного металла. Это объясняется большей, чем при комнатной температуре, локализацией разрушения по мягкой прослойке (зоне разупрочнения) при высоких температурах.

Зоны нагрева стали в интервале температур 500-900° С опасны и с точки зрения коррозионного разрушения. В этих зонах происходит преимущественное растрескивание сварных соединений нержавеющей стали в хлоридах. В аустенитной нержавеющей стали некоторых марок в зоне нагрева металла в интервале

температур 500-800° Сив зонах нагрева до больших температур на этапе охлаждения может развиваться процесс образования карбида хрома (СгазСе) по границам зерен, в результате чего границы и приграничные области обедняются хромом. При работе сварного соединения в коррозионной среде по этим областям развивается коррозионное разрушение - межкристаллитная коррозия.

Склонность стали к коррозионному разрушению определяется химическим составом и длительностью выдержки в опасном интервале температур (рис. 8).

Основным направлением борьбы с межкристаллитной коррозией является предотвращение выделений хрома из твердого раствора в аустените.

При сварке это может быть осуществлено за счет снижения содержания углерода в металле шва; использования для сварки в качестве основного и присадочного металла стали, стабилизированной титаном, ниобием, цирконием и другими элементами, обладающими большим сродством к углероду, чем хром; снижения времени пребывания стали в опасном интервале температур; за счет жестких режимов сварки или закалки после сварки с температуры 1050-1100° С; дополнительного легирования хромом металла сварного шва.

Шестой зоной является зона нагрева металла до температуры существенно ниже температуры фазовых превращений (100-300° С). В этой зоне у некоторых металлов может наблюдаться снижение пластических свойств и ударной вязкости за счет старения металла или его наклепа вследствие пластической деформации и отсутствия процесса рекристаллизации.

В общем случае влияние таких изменений на свойства сварного соединения незначительно, однако в отдельных случаях эта зона может обладать худшими коррозионными свойствами, повышенной твердостью, худшей длительной прочностью, Кроме того, в зоне наблюдается повышенная плотность дефектов кристаллического строения.

За этой зоной следует основной металл, не претерпевающий изменений в процессе сварки. Единственным результатом воздействия на него процесса сварки является возникновение в нем остаточных напряжений, не превышающих предела гекучести.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы материаловедения. Под ред. д-ра техн. наук проф. И. И. Сидорина. М - Машиностроение , 1976, 436 с.

2. Теоретические основы сварки. Под ред. д-ра техн. наук проф. В. В. Фролова. М., Высшая школа , 1970, 592 с.

3. Технология электрической сварки плавлением. Под ред. акад. Б. Е. Патона. Москва-Киев, Машгиз, 962, 663 с.

4. Шоршоров М. X., Чернышева Т. А., Красовский А. И. Испытание металлов на свариваемость. М., Металлургия , 1972, 240 с.

5. Электронно-лучевая сварка монокристаллов тугоплавких металлов. - В кн.; Выращивание монокристаллов тугоплавких и редких металлов. М., Наука , 1973( с. 68-73. Авт.; Н.А. Ольшанский и др.

Глава 6

СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

Техника сварки. При зажигании дуги напряжение между электродом и свариваемым изделием обычно равно 60 В, для электродов отдельных промышленных марок напряжение холостого хода должно быть повышено до 70 В. При замыкании сварочной цепи напряжение падает почти до нуля и после возбуждения дуги поддерживается в пределах 16-30 В в зависимости от длины дуги и марки электрода.

На рис. 1 приведена статическая характеристика дуги. Точка А соответствует моменту зажигания дуги; точка Б - точка устойчивого горения дуги.

Основными характеристиками процесса плавления электрода является количество расплавленного электродного металла и относительные потери ij5 (коэффициент потерь) электродного металла в процессе сварки из-за разбрызгивания, испарения и окисления.

При установившемся процессе сварки плавление электрода под действием дуги происходит равномерно по следующей приближенной зависимости, установленной опытным путем при большой плотности тока:

где р - коэффициент расплавления, определяемый опытным путем, г/А-ч; / - сила тока. А; t - время горения дуги, ч.

Коэффициент расплавления зависит от материала электродного стержня и состава обмазки, покрывающей его поверхность, от рода и полярности тока и колеблется в пределах 8-14 г/А-ч. При сварке на постоянном токе он несколько повышается.

Потери наплавленного металла, определенные разностью массы расплавленного металла электрода и массы металла, образующего шов, определяются коэффициентом

Величина g, возрастающая с увеличением тока, меняется в пределах 5-30% для обычных электродов. Коэффициент ф также зависит от стабильности процесса сварки и особенностей отрыва и переноса капель через дуговой промежуток.

Коэффициент расплавления р изменяется незначительно с повышением плотности тока. В процессе сварки электродами на токе большей плотности скорость плавления увеличивается за счет подогрева стержня током.

Приближенно можно принять, что масса наплавленного металла на изделие

ga = ctiilt,

где - коэффициент наплавки, г/А-ч.

Коэффициент наплавки менее постоянен, чем коэффициент расплавления ар, так как потери меняются от действия различных факторов, в результате которых увеличиваются потери на разбрызгивание и угар. Для электродов с толстым

покрытием различных марок коэффициент наплавки ад изменяется в пределах 7-14 г/А-ч. Не вся мощность дуги используется для наплавки металла, так как неизбежны потери ее на излучение, конвективный теплообмен с окружающей средой, потери вместе с испаряющимся и разбрызгиваемым металлом, унос теплоты нагретыми газами, на плавление электродного покрытия и др.

Эффективная мощность дуги, т. е. мощность, расходуемая на нагрев металла, определяется по формуле

Qэ=эфQo.

где 1эф - эффективный КПД процесса нагрева металла, определяемый опытным путем методом калориметрирования. Для плавящихся электродов с толстым покрытием т]эф = 0,70-f-0,85.

Значительное ускорение плавления металла электрода во многих случаях нежелательно, так как нарушаются нормальные соотношения между количеством расплавленного основного и электродного

металла, что приводит к нарушению формирования шва и является одним из факторов, определяющих силу тока дуги для данного электрода

Валик наплавленного металла (рис. 2) характеризуется глубиной расплавления h = 2ч-6 мм, высотой Я 24-5 мм, шириной b = 2-25 мм и площадью поперечного сечения. Технологически важными характеристиками являются отношения

А- и Вследствие значительного пере-Я h

грева металл шва теряет марганец, углерод и кремний. Фосфор и сера в металле шва сохраняются полностью.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются сила сварочного тока, напряжение дуги и скорость сварки. Тип электрода определяют в зависимости от химического состава свариваемого металла, согласно паспортным данным изготовителя электродов, руководствуясь каталогами на электроды. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, положения шва в пространстве и размеров изделия. По принятому диаметру электрода и положению шва в пространстве подбирают сварочный ток.

Рис. 2

Толщина металла, мм . Диаметр электрода, мм

1 2 3 - 5 4 - 10 12 - 24 30 - 60

2 з 3 - 4 4 -5 5- 6 6 -8

Зависимость силы тока от диаметра электрода показана на рис. 3, где между штриховыми кривыми заключены допустимые отклонения силы тока. Сила тока увеличивается быстрее, чем диаметр электрода, и медленнее, чем площадь его сечения.

Для электродов диаметром 3-6 мм сила сварочного тока

I = {20-{-6d)d,

где d - диаметр электрода, мм.

Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10-20% ниже, чем для сварки в нижнем Положении.