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