Краткие данные о сварке с использованием электрической энергии
| Вид материала | Документы |
- Лабораторная работа №1. Источники энергии при сварке. Лазерная сварка. Цель лабораторного, 120.5kb.
- Приказ от 17 апреля 2000 года n 32/28/28/276/75/54 Об утверждении Концепции построения, 1590.1kb.
- Постановления Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 г. N 529 "О совершенствовании, 20.18kb.
- Электрические цепи постоянного тока, 1039.6kb.
- О проведении закупочных процедур, 56.79kb.
- Лекция n 1, 3404.14kb.
- Лекция №1, 2690.05kb.
- Зао «радио и микроэлектроника» Счетчик электрической энергии однофазный, активный,, 170.51kb.
- Методические указания по нормированию топливно-энергетических ресурсов при производстве, 1982.9kb.
- Правительства Российской Федерации от 30 июня 2004 г. N 332 Собрание закон, 391.45kb.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ И ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Композиционные материалы (КМ). Самым распространенным композитным материалом является железобетон, широко используемый в строительстве. В нем металлические стержни являются армирующими наполнителями, а бетон связующим компонентом - матрицей. В машиностроении используются композиционные материалы, в которых связующими компонентами являются металлы (МКМ), керамика (ККМ), полимеры (ПКМ). В данном разделе рассмотрены вопросы сварки МКМ. В качестве наполнителей в металлических композитах используют: сплавы алюминия, магния, меди, никеля, тирана и т.д. В качестве армирующих материалов - высокопрочные материалы: углеродные, борные, карбидокремниевые волокна, нитевидные кристаллы, металлическую проволоку. Армирующие материалы в композитах находятся в виде частиц различной дисперсности (дисперсионно-упрочненные ДУКМ), волокон длинной или короткой резки или слоев (рис. 1).
Рис. 1 Схема композиционных материалов. Армирующий материал в виде:
а - частиц; б - волокон; в - слоев
КМ, армированные нитевидными кристаллами, по своим свойствам находятся между композитами, упрочненными длинными волокнами и порошком. МКМ позволяют получать герметичные и высокопрочные сварные соединения при различных комбинациях сплавов, экономить дефицитные и дорогостоящие металлы, существенно упрощать конструкции ответственных узлов, повышать надежность и долговечность работы изделий. Эти материалы обладают комплексом совершенно новых (по сравнению с металлами и сплавами) характеристик. Использование композиционных материалов позволяет повысить прочность, жесткость, сопротивление ударным нагрузкам, снизить массу конструкций, дает возможность регулировать в широких пределах тепло- и электропроводность, магнитные, ядерные и другие свойства.
Изготовление деталей из МКМ проводится по двум схемам. При первой схеме совмещается изготовление КМ и формирование детали. При второй схеме вначале с помощью прокатки, прессования, диффузионной сварки и т.д. получают полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.п.), из которых изготовляются детали. Например, подобным образом изготовляют детали из МКМ, армированных непрерывными волокнами (из боралюминия и углеалюминия с матрицей из алюминиевого сплава или беззольного клея). Волокна могут собираться в жгуты, составляющие основу, которые переплетаются поперечными жгутами из того же или другого материала (проволока и др.). Матрица наносится пропиткой, плазменным напылением и другими способами. Полученные монослойные полуфабрикаты соединяются в блоки различными способами, в том числе и сваркой.
При производстве теплообменников широко используется слоистая композиция из слоев высокотеплопроводного алюминия и низкотеплопроводного многокомпонентного сплава оксидов свинца, бора цинка и т.д., являющихся соединительной, силовой и теплоизолирующей компонентой. В результате теплопроводность вдоль алюминиевых слоев сохранена, а в ортогональном н
аправлении уменьшена в десятки раз.Для сварки композитных материалов применяются лучевые способы (электронно-лучевая и лазерная сварка) и дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом в среде аргона или гелия. Рис. 2 Схема образования сварного соединения Основные трудности сварки этих материалов связаны с различными теплофизическими свойствами наполнителя и матрицы. При воздействии источника тепла в большинстве случаев в первую очередь плавится металл матрицы, как имеющий более низкую температуру плавления. Наполнитель может расплавиться частично (рис. 2). При лучевых способах сварки в верхней части шва армирующий материал полностью расплавляется. Значительные изменения свойств композита происходят при дуговой сварке в зоне термического влияния. Изменения в шве и зоне термического влияния неблагоприятно сказываются на свойствах сварного соединения.При сварке плавлением требуется расплавляемый элемент (присадочная вставка), а в некоторых случаях и присадочная проволока (рис. 3), материалом которых заполняются зазоры стыка. Расплавляемый элемент может быть прямоугольной, тавровой или двутавровой формы (рис. 4).
Сварку композитов дугой выполняют в среде аргона или смеси аргона с гелием с минимальным тепловложением. При и
спользовании вольфрамового электрода рекомендуется применять импульсный режим сварки, что позволяет регулировать длительность воздействия дуги на металл сварочной ванны, т.е. температурный режим плавления основного и присадочного материалов. Опасность расплавления армирующих волокон устраняется увеличением длительности пауз. Этот способ рекомендуется для композиционных материалов с термодинамическими совместимыми компонентами (Cu-W, Cu-Mo, Sb-W) или армированных термостойкими наполнителями, например, волокнами карбида кремния, бора (покрытиями карбида бора или кремния).Рис. 3 Схема сварки композита с присадочным расплавляемым
элементом и присадочной проволокой:
1 - свариваемые заготовки; 2 - прижимы; 3 - формирующая подкладка;
4 - присадочная вставка; 5 - присадочная проволока; 6 - горелка
Рис. 4. Формы расплавляющихся присадочных вставок
В качестве присадочного материала используют проволоки или прутки с объемным содержанием армирующей фазы 15 ... 20 %. При сварке соединения образуются в основном по металлической матрице. Более благоприятными свойствами обладают сварные соединения при сварке вдоль армирования.
Сложной является проблема сварки композиционных материалов системы алюминий - бор между собой и с алюминиевыми сплавами типа Д16Т; 1420. Объемное содержание нитей бора в этих материалах 30 ... 55 %, толщина 0,8 ... 2,0 мм, условный плакирующий слой 50 ... 200 мкм. Подготовку поверхности под сварку производят только химическим путем, включая операции травления, осветления и пассивирования. Наилучшие результаты достигаются при сварке вращающимся вольфрамовым электродом, на переменном токе в смеси аргона и гелия (20:80) при использовании технологических проставок из алюминиевых сплавов типа АМг, 1420, 1201.
При электронно-лучевой и лазерной сварке малая протяженность зоны термического влияния позволяет получать сварные соединения с более высокими свойствами, чем при дуговой сварке.
При сварке алюминиевых композиционных материалов, армированных борными и стальным и волокнами, возникают две проблемы. Первая - это трудность образования сварного соединения без повреждения волокон и снижения их прочности при расплавлении алюминиевой матрицы. Прямое воздействие источника нагрева (дуги, луча при ЭЛС) приводит к разрушению и плавлению волокон. Второе - это то, что наличие волокон изменяет перемещение теплоты в сварочной ванне и затрудняет перемещение в ней расплавленного металла. Основными дефектами швов являются пористость, несплавление, повреждение волокон. Устранению дефектов при аргонодуговой и электронно-лучевой сварке способствует применение импульсных режимов и использование тавровых и двутавровых проставок из матричного алюминиевого сплава между свариваемыми кромками. Этим способом можно изготовлять элементы конструкций типа балок, труб и т.п.
Пористые материалы на металлической основе могут быть порошковыми (ППМ) и сетчатыми (ПСМ) на основе коррозионно-стойких сталей. Получают их холодным прессованием или прокаткой с последующим спеканием в контролируемой газовой среде. Их свойства определяются химическим составом, способом изготовления и величиной образующейся пористости. Основное назначение - фильтроэлементы, смесители, глушители шума и т.д.
Образующаяся при сварке литая структура шва значительно отличается по свойствам от структуры основного металла. Основным дефектом при сварке (особенно ППМ) материалов является пористость. При сварке ПСМ ввиду низкой теплопроводности по толщине возможно образование прожогов и подрезов у линии сплавления. Сварку осуществляют вольфрамовым электродом в среде аргона с присадочной проволокой (для ППМ - Св-04Х19Н9, а ПСМ - металла, аналогичного сетке). Возможна электронно-лучевая и лазерная сварка.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.
В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.
Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей
| Класс сталей и сварочных материалов | Группа | Характеристика сталей | Марки (примеры) |
| Перлитные и бейнитные | I | Углеродистые | Ст3, 20 |
| II | Низколегированные | 09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА | |
| III | Легированные Среднеуглеродистые | 30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ | |
| IV | Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V) | 12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169 | |
| V | Хладостойкие (Fe-Ni) | 0Н3, 0Н6, 0Н9 | |
| Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные | VI | 12 %-ные хромистые, жаростойкие | 08X13, 12X13 |
| VII | Высокохромистые, жаростойкие | 08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2 | |
| VIII | 12 %-ные хромистые, жаропрочные | 15X11МФ, 15Х12ВНМФ | |
| IX | Хромоникелевые коррозионно-стойкие | 12Х21Н5Т | |
| Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе | X | Коррозионно-стойкие аустенитные | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТ |
| XI | Аустенитные жаропрочные | Х15Н35ВТ, 20Х25Н20С2 | |
| XII | Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные | Х18Н20,Х13АП9, 06Х23Н28МЗДЗТ | |
| XIII | Жаропрочные никелевые сплавы | ХН70ВМТЮФ, ХН56ВМТЮ |
Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).
Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов
Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей - образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.
Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:
Р
ис. 1 Схема комбинированной наплавки свариваемой кромки: 1 - углеродистая сталь; 2 - перлитныйстабилизированный слой; 3 - аустенитныйслой; 4 - аустенитная сталь- Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);
- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;
- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;
- Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.
Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.
Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.
При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).
При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.
Рис. 2 Снижение толщины кристаллизационных (а) идиффузионных (б) прослоек в зоне сплавления стали 20 и12Х18Н10Т при увеличении содержания никеля в металле шва:1 - без подогрева; 2 - подогрев до 500 °С; 3 - обезуглероженнаяпрослойка в углеродистой стали, подогрев до 550 °С, выдержка 1000 ч.;4 - то же, подогрев до 650 с; 5 - науглероженная прослойка в аустенитном шве, подогрев до 650 °С, выдержка 1000 ч
Рис. 3 Сокращение толщины слоя переменного состава при вводе в ванну внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки при сварке под флюсом стали марки 30Н4МФДА при равном расходе электрода и присадки типа Св-08Х20Н9Г7Т: 1 - сварка без присадки; 2 - сварка с присадкой по схеме 3
Выбор сварочных материалов должен исключить образование трещин различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие получение композиций наплавленного металла с таким запасом аустенитности, чтобы компенсировать участие в шве перлитной стали и гарантированно получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру (табл. 2). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлера (см. рис. 4). На этой диаграмме точки П и Б означают структуру свариваемых сталей. При соотношении их долей участия 0,4/0,6 расплав после охлаждения на диаграмме будет находиться в т. Г, т.е. будет иметь мартенситную или аустенитно-мартенситную структуру, что недопустимо.
Рис. 4. Схема определения структуры в корневом шве и в отдельных слоях многопроходного шва с помощью диаграммы Шеффлера
Применив электрод типа Х15Н25 с высоким запасом аустенитности (т. В на диаграмме) в соотношении 50/50 к указанному выше расплаву, получим требуемый металл шва со структурой аустенита - отрезок а - б.
Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами
| Группа свариваемых сталей (см. табл. 1) | Композиция наплавленного металла | Предельная температура эксплуатации, °С | Термическая обработка |
| I + X – XII | 11Х15Н25М6АГ2 | 350 | Не требуется |
| II + X – XII | 27Х15Н25ВЗГ2Б2Т | 400 | Отпуск |
| III + X – XII | 08Х15Н60Г7М7Т | 400 | Отпуск |
| IV + X – XIII | 08Х14Н65М15В4Г2 | 580 | Не требуется |
| V + X – XII | 08Х14Н65М15В4Г2 | <650 | Не требуется |
| VI – VIII + XI – XIII | < 1000 | Аустенизация |
При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.
Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 ... 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 % Ni и 15 % Мо.
Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.
В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 ... 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 ... 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.
Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.
Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.
При недостаточности или неприемлемости указанных технологических вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламентированным количеством δ-Fe (2 ... 6 %).
При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI ... XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 ... 27 %) и никеля (12 ... 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.
При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.
Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.
Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористо-кальциевой основе.
Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.