Классификация и структура текущих расходов железнодорожных предприятий. 3 страница

Таблица 3.3 - Способы сварки и применяемые сварочные материалы для аустенитных и аустенитно-ферритных сталей

При сварке между собой сталей второй группы разного легирова­ния аустенитно-ферритные электродные материалы применяться не мо­гут, так как при повышении в шве содержания N1 за счет проплавления основного металла шов будет иметь однофазную аустенитную структу­ру и обладать склонностью к трещинообразованию. Надо использовать сварочные материалы, обеспечивающие однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную структуру наплавленного металла при дополни­тельном легировании элементами, способствующими повышению его стойкости против горячих трещин.

Выбор термической обработки сварных конструкций из разнород­ных аустенитных сталей определяется маркой стали, типом конструк­ции, условиями ее работы. При сварке термически неупрочняемых ста­лей, отсутствии требований к снятию остаточных напряжений и работе изделия в интервале умеренных температур термическая обработка мо­жет не производиться. Если по условиям изготовления или эксплуата­ции остаточные сварочные напряжения должны быть сняты, то доста­точна стабилизация при 1=800-850 °С. Для конструкций, работающих при высоких температурах необходимая термическая обработка - аустенизация при температуре 1100-1150 °С.

3.3. Сварка сталей разного структурного класса

3.3.1. Сварка перлитных сталей с нержавеющими аустенитными сталями

При сварке перлитных сталей с аустенитными необходимо ис­пользовать электродные материалы аустенитного класса с достаточным запасом аустенитности наплавленного металла для предотвращения об­разования малопластичных участков с мартенситной структурой в кор­невых слоях и участках, примыкающих к перлитной стали. Рекоменда­ции по выбору сварочных материалов в зависимости от сочетания ста­лей и условий работы конструкции приведены в таблице 3.4.

Выбирая сварочный материал, необходимо учитывать также про­плавление основного металла и со стороны аустенитной стали. По это­му условию электродные материалы аустенитно-ферритного класса мо­гут применяться лишь в сварных соединениях перлитных сталей с ау­стенитными I группы, у которых содержание Cr превышает содержание Ni или близко к нему. При сварке аустенитных сталей II группы с пер­литными должны использоваться лишь сварочные материалы, обеспе­чивающие однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную струк­туру металла шва, стойкого против трещин в условиях возможного пе­ремешивания с аустенитной и перлитной сталями.

Выбор материалов конструкции и условий ее работы должен про­изводиться с учетом требования снижения до минимума диффузионных прослоек в зоне сплавления аустенитного шва с перлитной сталью. В связи со значительной разницей между содержанием карбидообразую­щих элементов в аустенитной стали и перлитной стали интенсивность процесса миграции углерода в зоне сплавления является, очевидно, наибольшей. Установлено, что рассматриваемые соединения в условиях длительной работы при t=500—550 °С склонны к малопластичным раз­рушениям в зоне сплавления. Использование сталей, термически обра­ботанных на повышенную прочность (в состоянии низкого отпуска), также повышает вероятность их появления. Одной из эффективных мер снижения опасности преждевременных разрушений в зоне сплавления сварных соединений перлитных сталей с аустенитными, работающих при высоких температурах, является устранение в этом участке воз­можных концентраторов в виде резкого изменения формы сечения. За­метное подавление процесса миграции углерода в зоне сплавления мо­жет быть достигнуто при сварке электродами на никелевой основе.

Таблица 3.4 - Сварочные материалы, рекомендуемые для сварки разнородных сталей

Термическая обработка комбинированных узлов из закаливаю­щейся при сварке легированной перлитной стали с аустенитной может быть необходима в околошовной зоне. Термическая обработка не может привести к снятию остаточных сварочных напряжений, а вызовет лишь их перераспределение. Поэтому в сварных соединениях малоуглероди­стых сталей с аустенитными термическая обработка после сварки может не производиться.

Глава 4. Сварка алюминия и его сплавов

4.1. Основные свойства и особенности сварки

Чистый алюминий из-за низкой прочности используют в отдель­ных случаях в химической, пищевой и электротехнической промыш­ленности. В основном, в конструкциях применяют сплавы в связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой кор­розионной стойкостью во многих средах и высокими механическими свойствами при низких температурах в авиа-, ракето-, судостроении, а также в химической и пищевой промышленности.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформиуоеанн ые, при­меняемые в катаном, прессованном и кованом состояниях, и литейные, используемые в виде отливок. Деформируемые сплавы, в свою очередь, подразделяются на сплавы, не упрочняемые термообработкой (система легирования марки АМц, АМг) и сплавы, упрочняемые термообработ­кой (система легирования А1-М§-Си, А1^п-М§, А1^ьМ§). В сварных конструкциях чаще всего используют полуфабрикаты (листы, трубы, профили и т.п.) из деформируемых, термически не упрочняемых спла­вов в ненагартованном виде. При сварке термоупрочненных сплавов металл и зона термического влияния разупрочняются, поэтому их при­менение целесообразно только при возможности последующей термо­обработки. Химический состав и механические свойства типичных ма­рок алюминия и его сплавов приведены в таблице 4.1.

Трудность сварки алюминия и его сплавов заключается в сле­дующем.

1. Высокая теплоемкость, теплопроводность, скрытая теплота плавления требуют более высокого и концентрированного тепловложе- ния, чем при сварке стали (в 1,2-1,5 раз больше), несмотря на более низкую температуру плавления алюминия.

2. Алюминий легко окисляется в твердом и расплавленном со­стояниях. Плотная тугоплавкая окисная пленка А1₂0₃ (1_пл=2050 °С) пре­пятствует сплавлению металла и образует в шве неметаллические вклю­чения. Перед сваркой надо удалить окисную пленку с поверхности ос­новного и присадочного металлов механическим путем или травлением. В процессе сварки окисную пленку удаляют за счет применения флюсов, растворяющих или разрушающих ее переводом в летучее состояние.

3. Низкая прочность алюминия при высоких температурах (рис. 4.1, а) и высокая жидкотекучесть способствуют «проваливаниюсварочной ванны. Для предотвращения провалов и прожогов обычно применяют подкладки из графита.

4. Высокая растворимость газов в расплавленном состоянии, осо­бенно водорода (рис. 4.1, б) способствует образованию пор при кри­сталлизации. Водород, растворенный в жидком металле, при затверде­вании должен выделиться из него в количестве 90-95 % своего объема, но этому препятствует плотная окисная пленка и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии. Поры располагаются чаще всего внут­ри шва, вблизи границы сплавления и у поверхности шва. Я считаю, что основной задачей технологов является борьба с газовой пористостью. Для предотвращения пористости удаляют окисную пленку, влагу и жи­ровые загрязнения с поверхности свариваемых материалов, осушают инертные газы, при сварке используют подогрев и механическое воз­действие на жидкий металл сварочной ванны (например, ультразвуко­вые колебания, магнитное перемешивание).

5. Значительная усадка металла шва и высокий коэффициент ли­нейного расширения приводят к большим остаточным деформациям и короблению конструкции. Для уменьшения коробления рекомендуют использовать жесткие приспособления, изготовленные из материалов с низкой теплопроводностью.

Таблица 4.1 - Химический состав и механические свойства некоторых марок алюминия и его сплавов

6. При дуговой сварке неплавящимся вольфрамовым электродом возможно загрязнение сварного шва вольфрамовыми включениями. При сварке используют электроды из чистого вольфрама ЭВЧ, из вольфрама с оксидом лантана ЭВЛ или с оксидом иттрия ЭВИ-1 по ГОСТ 23949-80.

7. При сварке нагартованных или термически упрочненных алю­миниевых сплавов снижается прочность сварного соединения по срав­нению с прочностью основного металла.

Для алюминия и его сплавов используют все виды сварки плавле­нием. Наибольшее применение нашли автоматическая и полуавтомати­ческая дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов, автоматическая дуговая сварка с использо­ванием флюса (открытой и закрытой дугой), электрошлаковая сварка, ручная дуговая сварка плавящимся электродом, электронно-лучевая сварка.

Чтобы получить качественные сварные соединения необходимо перед сваркой с поверхности заготовок удалить жировую смазку, кото­рой покрывают полуфабрикаты при консервации. Поверхности обезжи­ривают ацетоном, уайт-спиритом. Окисную пленку удаляют шабером или металлическими проволочными щетками из нагартованной хромо­никелевой стали непосредственно перед сваркой. Можно также произ­водить травление, после которого допустимая продолжительность хра­нения заготовок перед механической зачисткой свариваемых поверхно­стей не более 4 суток. После механической зачистки сварку рекоменду­ется производить в течение 3 часов.

Для очистки поверхности алюминиевой сварочной проволоки не­обходимо производить ее химическую обработку: обезжиривание, трав­ление в 15 %-ном растворе едкого натрия технического в течение 5-10 минут при 1=60-70 °С, промывание в воде, сушку, дегазацию (прокалка при 1=300 °С в течение 10-30 минут на воздухе или в течение 5 часов в вакууме при 0,13 Па).

Дуговая сварка в среде инертных газов. Сварка производится не- плавящимися (вольфрамовыми, лантанированными, иттрированными) и плавящимися электродами. Используются инертные газы: аргон высше­го и первого сорта ГОСТ 10157-79, гелий повышенной чистоты, смесь аргона с гелием. Выбор конкретного способа сварки, режимов сварки определяется конструкцией изделия и условиями производства.

Ручная дуговая сварка вольфрамовым электродом. Сварку ве­дут, в основном, на специально для этого способа разработанных уста­новках типа УДГ. Использование источников переменного тока связано с тем, что при сварке постоянным током обратной полярности допустим сварочный ток небольшой величины из-за возможного расплавления электрода, а при сварке постоянным током прямой полярности не про­исходит удаления окисной пленки с поверхности алюминия. Расход ар­гона составляет 6-15 л/мин. При защите гелием расход газа больше примерно в 2 раза. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15-20 В, в ге­лии 25-30 В. Режимы сварки приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Рекомендуемые режимы сварки вольфрамовым электродом

При выполнении швов на алюминии вручную особое внимание следует уделить технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен быть примерно 90°. Присадка подается короткими возвратно-поступательными движениями. Поперечные колебания вольфрамового электрода недопустимы. Вылет электрода от торца на­конечника горелки 1-1,5 мм. Длина дуги 1,5-2,5 мм. Сварку ведут обычно справа налево («левый» способ), чтобы снизить перегрев свари­ваемого металла.

При автоматической сварке вольфрамовым электродом качество и свойства шва по его длине более стабильны, чем при ручной сварке.

Сварка плавящимся электродом. Сварка выполняется полуавто­матом или автоматом в струе чистого аргона или в смеси аргона и гелия (до 70 % Не) на постоянном токе обратной полярности проволокой диа­метром 1,5-2,5 мм. При использовании газовой смеси (30 % Аг + 70 % Не) увеличивается ширина шва и глубина провара и улучшается форма шва.

Режимы сварки плавящимся электродом сплавов типа АМг при­ведены в таблице 4.3 при расходе аргона 15-20 л/мин.

Автоматическая сварка алюминия и его сплавов с применени­ем флюсов. Этот способ применяют в двух вариантах: сварка по флюсу полуоткрытой дугой и сварка под флюсом закрытой дугой.

Сварку по флюсу применяют при производстве сосудов из алю­миния и сплавов типа АМц с использованием фторидно-хлоридных флюсов. Флюсы имеют высокую электропроводность, и, благодаря вы­сокой концентрации энергии при сварке алюминия по флюсу, достига­ется глубокое проплавление основного металла.

Таблица 4.3 - Рекомендуемые режимы сварки плавящимся электродом в защитных газах алюминиевых сплавов типа АМг

Для технического алюминия применяют флюс АН-А1, а для спла­вов - другие флюсы, не содержащие №С1, так как в случае загрязнения металла шва восстановленным натрием ухудшается его пластичность. Толщина слоя насыпанного флюса обычно составляет 7-16 мм, ширина 25-45 мм в зависимости от толщины свариваемого металла. Сварка ве­дется на постоянном токе обратной полярности одиночным (режимы в табл. 4.4) или сдвоенным (расщепленным) электродом на стальной формирующей подкладке.

Таблица 4.4-Режимы однопроходной сварки по слою флюса одиночным электродом на формирующей подкладке

Сварочные алюминиевые проволоки имеют небольшую жесткость и при значительных колебаниях конца проволоки при сварке могут воз­никнуть непровары. Использование сдвоенных проволок позволяет уве­личить размеры сварочной ванны, время пребывания ее в жидком со­стоянии, улучшить условия дегазации сварочной ванны и, соответст­венно, уменьшить пористость.

Основные преимущества сварки по флюсу: высокая производи­тельность, экономичность по сравнению с другими способами, меньшее коробление конструкции. Недостаток - необходимость удалять шлак после сварки.

Автоматическую сварку под слоем флюса ведут на больших плот­ностях тока расщепленным электродом на переменном или постоянном токе обратной полярности. Применяют керамические флюсы ЖА-64, ЖА-64А. Но при этом предъявляются повышенные требования к венти­ляционным системам для удаления паров флюса.

Электрошлакоеая сварка. Применяется для сварки алюминия и его сплавов для толщин 50-250 мм. Сварку ведут на переменном токе пластинчатым электродом или плавящимся мундштуком. Применяют флюсы АН-301, АН-302 на основе галогенидов щелочных и щелочнозе­мельных металлов. Шов формируют медными кристаллизаторами. Плотность тока в электроде около 2,5 А/мм , скорость сварки 6-8 м/час. Прочность сварных соединений 80-100 % от прочности основного ме­талла. Чем больше толщина свариваемых изделий, тем больше технико­экономическая эффективность данного способа.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Способ при­меняют для изделий из технического алюминия, алюминиево­марганцевых и алюминиево-магниевых (с содержанием магния до 5 %) сплавов, силуминов при толщине металла более 4 мм. Можно сваривать металл толщиной до 20 мм без разделки кромок, но все-таки рекомен­дуется разделка кромок с толщины 10 мм.

Чаще всего тип соединения - стыковое. Соединения внахлестку и тавровые не рекомендуются, так как возможно затекание шлака в зазо­ры, откуда его сложно удалить при промывке. Остатки шлака могут вы­звать коррозию.

При сварке необходимо обеспечить подогрев до 100-400 °С в за­висимости от толщины деталей. Диаметр электродов ё_э=4-8 мм. Стержень электродов изготавливается из проволок состава, близкого к составу ос­новного свариваемого металла. Для широко применяемых сплавов типа АМг берут проволоку с увеличенным на 2 % содержанием магния для компенсации его угара при сварке. Основу покрытия электродов состав­ляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия.

Сила сварочного тока 1_св=(50-60)ё_э, и_д=30-36 В. Ток постоянный обратной полярности. При сварке алюминиевый электрод расплавляется в 2-3 раза быстрее стального. При обрывах дуги кратер и конец элек­трода покрываются пленкой шлака, препятствующей ее повторному за­жиганию. Поэтому сварку необходимо выполнять на высоких скоро­стях, без колебания электрода, непрерывно в пределах одного электро­да. При прерывании дуги конец электрода необходимо зачистить.

При выполнении многослойных швов перед наложением каждого слоя необходима тщательная зачистка предыдущего слоя от шлака и окислов.

Получаемые сварные соединения обладают удовлетворительными механическими свойствами.

Ручная дуговая сварка угольными электродами. Этот вид при­меняют только для неответственных конструкций. Сварку производят на постоянном токе обратной полярности. Диаметр угольного электрода ё_э=10-20 мм, сварочный ток 1_св=(20-25)ё_э, и_д=25-35 В. Конец угольного электрода затачивают на конус под углом 60°. Металл толщиной до 2,5 мм сваривают без разделки кромок, а более толстый - с разделкой (угол разделки 70-90°). Используют присадочный пруток диаметром 2-5 мм. На присадочный пруток наносят слой флюса многократным окунанием в водный раствор флюса (смеси фторидно-хлоридных солей) или флюс наносят в виде пасты на свариваемые кромки.

Газовая сварка. Этот самый старый способ сварки алюминия применяют с использованием ацетилена, реже - с использованием про- пан-бутановой смеси и метана. Сварку ведут нормальным пламенем при незначительном избытке ацетилена. При выборе горелки исходят из расхода примерно 100 л/г ацетилена на 1 мм толщины основного метал­ла. Номер наконечника выбирают в зависимости от толщины сваривае­мых деталей, а диаметр присадочного прутка, соответственно, 1,5—5,5 мм.

Наиболее распространенный флюс, обеспечивающий высокое ка­чество сварки, АФ-4А, который состоит из 28 % хлористого натрия, 50 % хлористого калия, 14 % хлористого лития, 8 % фтористого натрия. Флюс наносится на присадочный пруток или свариваемые кромки. При толщине деталей до 4 мм разделку кромок не выполняют, а свыше 4 мм - рекомендуется выполнять. При толщине листов более 8 мм произво­дят общий или местный подогрев. Сварку выполняют «левым» спосо­бом. После сварки швы промывают для удаления остатков флюса и об­разующихся шлаков теплой или подкисленной водой (2 %-ный раствор хромовой кислоты). Для этой цели применяют волосяные щетки, кото­рыми протирают шов и участки вдоль его.

Глава 5. Сварка меди и ее сплавов

5.1. Основные свойства и особенности сварки

Несмотря на значительную борьбу за экономию меди и стремле­ние заменить медь и ее сплавы другими металлами в промышленности, они находят большое применение в химическом машиностроении при изготовлении аппаратуры для работы в коррозионной среде и в электро­технической промышленности, где требуется металл с хорошей элек­тропроводностью.

Техническая медь выпускается 9 марок по ГОСТ 859-2001 и мо­жет содержать количество примесей от 0,01 % (М00 бк) до 1 % (М4). Сплавы на медной основе в зависимости от состава легирующих эле­ментов относятся к латуням, бронзам, медно-никелевым сплавам.

Латунями называется медно-цинковые сплавы, которые могут содержать другие легирующие элементы. Химический состав латуней определяется ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-93. При содержании цинка до 39 % латуни пластичны, хорошо свариваются, коррозионностойки. Латуни легируют Fe, А1, Si, N1. Алюминий уменьшает летучесть цинка, образуя защитную пленку из А1₂0₃. Железо задерживает кристаллиза­цию и измельчает зерно. Кремний увеличивает свариваемость.

Оловянные бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и коррозионную стойкость. Кремнистые и алюминиевые бронзы облада­ют высокими механическими и коррозионными свойствами. Они де­шевле оловянных. Марганцовистые бронзы имеют хорошую коррози­онную стойкость и повышенную жаропрочность. Берилевые бронзы по­сле термической обработки приобретают прочность, сопоставимую с прочностью стали. Химический состав основных марок меди и ее спла­вов приведен в таблице 5.1.

Медно-никелевые сплавы содержат до 30 % N1, а также марганец, железо. Сплав МНЖ5-1, прочный и коррозионностойкий, используют для конструкций, работающих в агрессивных средах (морской воде, растворах солей, органических кислотах).

Особенности состояния меди и ее сплавов, влияющих на техноло­гию сварки.

1. Высокая температура плавления и теплопроводность (в 6 раз больше, чем у стали) требуют применения мощных высококонцентри­рованных источников теплоты при сварке плавлением, режимов сварки с высокой погонной энергией и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева.

Таблица 5.1 - Химический состав некоторых типовых марок меди и ее сплавов, %

2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах вызывает засорение металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди Си₂0 (1:_пл=1064 °С), сосредотачиваясь по границам зерен, может снижать стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для сварных конструкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03 %, а для ответственных изделий - 0,01 %. Вви­ду малого времени существования сварочной ванны раскисление меди происходит за счет активных раскислителей: фосфора (содержание Р не должно превышать 0,3 %, так как он также дает легкоплавкие эвтекти­ки), марганца и кремния (с общим содержанием 1-3 %).