Общие сведения и указания по работе. Изучить технологические приемы при восстановлении стальных деталей сваркой покрытыми электродами, влия­ние режимов и погонной энергии на долю основного

Лабораторная работа № 18

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

СВАРКОЙ

Цель работы

Изучить технологические приемы при восстановлении стальных деталей сваркой покрытыми электродами, влия­ние режимов и погонной энергии на долю основного ме­талла в металле шва и его размеры.

Общие сведения и указания по работе

Стали подразделяются на углеродистые и легирован­ные. По назначению различают стали конструкционные г содержанием углерода в сотых долях процента и инст­рументальные с содержанием углерода в десятых долях процента. В углеродистых конструкционных сталях угле­род является основным элементом, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества и качественные.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующие обозначения: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная. Кипящая сталь, содержа­щая кремния не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вред­ных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в око­лошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при от­рицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марган­цем, алюминием и кремнием и содержит кремния не ме­нее 0,12 %. Сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склон­на к старению и отличается меньшей реакцией на на­грев при сварке.

Полуспокойная сталь по склонности к старению зани­мает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1—5 выплавляют с нормальным и повышенным содержанием марганца (примерно до 1 %). В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Углеродистую качественную сталь выпускают в соот­ветствии с ГОСТ 1060—74. Сталь имеет пониженное со­держание серы. Допустимое отклонение по углероду 0,03—0,04 %. Стали с содержанием углерода до 0,2 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойны­ми (пс) и спокойными (сп), остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовления конструкций применяют в горячекатанном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском. Углеродистые стали в со­ответствии с ОСТ 14-1-142—84 подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,25—0,6 % и высокоуглеродистые с содержанием угле­рода более 0,6 %.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной тех­нологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подраз­деляются на четыре группы: I — хорошо сваривающие­ся, с содержанием углерода до 0,25 %; II — удовлетво­рительно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строго со­блюдать режимы сварки, нужны специальные присадоч­ные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных со­единений которых дополнительно необходим подогрев, предварительная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающиеся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, сварные швы из которых склонны к образова­нию трещин (стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций).

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Как правило, повышение уровня легирования и прочнос­ти стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Пер­востепенная роль по влиянию на свойства сталей принад­лежит углероду. Доля влияния каждого легирующего эле­мента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных элементов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предва­рительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фос­фор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.

Предупредить образование горячих трещин можно пу­тем уменьшения количества и сосредоточения швов, вы­бора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости закреплений, предварительного по­догрева, применения электродного металла с более низ­ким содержанием углерода и кремния.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми спо­собами сварки плавлением. Получение при сварке равно­прочного сварного соединения, особенно термоупрочненных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определен­ных технологических приемов. В зонах, удаленных от вы­сокотемпературной области, возникает холодная пластичес­кая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, при­водящего к снижению пластических и повышению прочно­стных свойств металла и соответственно к возможному по­явлению холодных трещин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное количество марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин увеличи­вается (особенно с ростом скорости охлаждения).

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стержни длиной 300—450 мм, изготовленные из сварочной проволоки (ГОСТ 2246—70), на поверхность ко­торых нанесен слой покрытия. Один конец электрода на длине 20—30 мм свободен от покрытия и служит для крепления его в электрододержателе.

Электроды должны обеспечивать:

устойчивое горение дуги, равномерное плавление ме­талла и стабильный перенос его в сварочную ванну;

достаточную защиту расплавленного электродного ме­талла и металла сварочной ванны от воздуха:

получение металла шва требуемого химического соста­ва и механических свойств;

хорошее формирование шва, минимальные потери на угар и разбрызгивание;

возможно более высокую производительность процесса сварки (наплавки);

хорошую отделимость и легкую удаляемость шлака с поверхности шва;

достаточную стойкость покрытий против механических повреждений (их осыпание или откалывание при относи­тельно легких ударах, а также в процессе нагрева элект­рода при сварке) и недопустимость резкого ухудшения свойств в процессе хранения;

минимальную токсичность газов, выделяющихся при сварке, соблюдение санитарно-гигиенических норм.

Указанные требования обеспечиваются соответствующим подбором материалов электродного покрытия. Электродное покрытие служит для защиты ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, стабилизации дуги, повыше­ния технологичности процесса сварки и наплавки, а так­же введения легирующих элементов в состав наплавлен­ного металла. Для дуговой сварки и наплавки покрыты­ми электродами используют электродные покрытия: ильменитное, содержащее более 30 % ильменита (FеО x ТiO₂); органическое — с содержанием 20—30 % целлюлозы; карбонатно-рутиловое; основное или фтористо-кальциевое: высокорутиловое с содержанием до 35 % ТiO₂; руднокислое, содержащее окислы железа и марганца в виде руд; покрытие системы железный порошок — рутил с высо­ким содержанием первого компонента; порошковое основ­ное, содержащее железный порошок; покрытие системы железный порошок — оксид железа; специальные покры­тия, содержащие, в частности, графит. В странах СНГ широко применяются органическое, карбонатно-рутилевое, рудно-кислое и основное покрытия электродов. Например, стандартом установлено 44 типа электродов с основным покрытием, в состав которого входят шлакообразующие компоненты в виде плавикового шпата, карбонатов кальция и магния; раскислители — марганец, кремний, титан, алюминий в виде соответствующих ферросплавов или металлических порошков; связующие — натриевое или ннтриево-калиевое жидкое стекло.

И процессе нагрева и плавления основного покрытия происходит диссоциация карбоната кальция:

CaCO₃= CaO+CO₂ (18.1)

В воздухе при парциальном давлении углекислого газа менее 300 Па диссоциация СаСО₃ начинается при температуре около 780 К. Углекислый газ является активным «исцелителем жидкого металла. Окисление может протекать но двум схемам:

CO₂+Me = CO+MeO (18.2)

или

CO₂=CO+0,5O₂ (18.3)

0,5O₂+Me=MeO (18.4)

Раскислители Si, Мn, Тi в составе покрытия взаимо­действуют с СО₂, восстанавливая его до СО:

СО₂ + Мn = МnО + СО, (18.5)

2СО₂ + Si = SiO₂ + 2СО, (18.6)

2СО₂ + Тi = ТiO₂ + 2СО. (18.7)

Углекислый газ, не прореагировавший с раскислителями, диссоциирует в высокотемпературной зоне:

С0₂ + С = 2СО. (18.8)

Таким образом, газовая фаза электродов с основным покрытием является окислительной. При плавлении фто­ристо-кальциевого покрытия шлаки связывают продукты реакций ТiO₂, SiO₂ и др., очищая металл. В результате в наплавленном слое содержится не более 0,03—0,05 % кис­лорода.

Тип электрода характеризует свойства наплавленного металла. Для конструкционных сталей — это механичес­кие свойства, для легированных сталей со специальными свойствами (теплоустойчивых, коррозионно-стойких, жаро­прочных) — химический состав. Обозначение типа элект­рода содержит букву Э, после которой проставляется временное сопротивление на разрыв _в (кг/мм²). После зна­чения _в может проставляться буква А, что означает улуч­шенные пластические характеристики металла шва. На­пример, Э 42А означает, что металл, наплавленный эти­ми электродами, имеет прочность 42 кг/мм² (420 МПа) и улучшенные пластические свойства. Для сварки высо­копрочных сталей тип электрода может быть Э 100.

Для сварки сталей со специальными свойствами тип электрода имеет следующий вид: Э 09Х2М — наплавлен­ный металл содержит 0,09 % углерода, 2 % хрома и 1 % молибдена; Э 10Х25Н13Г2Б — наплавленный металл име­ет следующий химический состав: 0,1% С; 25% Сг; 13% Ni; 2% Мn; 1% Nb.

Обозначение типа электрода регламентируется ГОСТ 9467—75 и ГОСТ 10052—75.

Некоторые марки электродов для сварки конструкци­онных сталей, соответствующие им типы покрытия и типы электродов приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1