HomeСварка стали › Прогресс сварки стали

Прогресс сварки стали

Прогресс сварки сталиСтупени улучшения. До конца XIX в. сварке, несмотря на превосходство в маневренности и производительности, не удалось заметно потеснить клепку. При помощи клепки продолжали скреплять обшивку корабля, стенки и днища котлов, балки мостов и башен и др.

 

Сварке оставались второстепенные металлоконструкции и неответственные изделия. Новый технологический процесс не всегда обеспечивал хорошее качество соединений. В то время сварку поддерживали только отдельные энтузиасты. Удачно найденные решения внедрялись в практику, развивались, служили очередной ступенькой для дальнейшего подъема сварочного производства.

 

Среди таких ступеней была и идея шведского инженера О. Кельберга. В 1907 г. он предложил покрывать металлические плавящиеся электроды термостойкими неэлектропроводными материалами. И хотя тугоплавкое покрытие электродов нужно было Кельбергу, чтобы выполнить сварку в потолочном положении (предотвратить стекание электродного металла), оказалось, что оно в некоторой степени защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха.

 

В 1917 г. американские ученые О. Андрус и Д. Стреса изобрели новый электрод.Его стальной стержень был обернут полоской бумаги, приклеенной силикатом натрия — жидким стеклом. Бумага стала источником дыма, оттеснявшего воздух из зоны сварки, подобно тому как для этой же цели Н. Бенардос специально подавал газ. Обнаружилось еще одно интересное свойство новой обмазки — дуга возбуждалась сразу, с первого касания и не гасла, как обычно, при незначительном удлинении.

 

Сказалось присутствие в обмазке натрия. Для сварщиков это было очень важно: ведь им в течение нескольких часов приходилось, держа на весу руку с электродом, сохранять постоянным маленький зазор (в несколько миллиметров) между концом плавящегося электрода и сварочной ванной.

 

Совместными усилиями изобретателей многих стран: ученых, инженеров, рабочих — велись исследования с целью улучшить качество металла шва при ручной электродуговой сварке. К концу 20-х гг. XX в. электроды с обмазкой уже содержали специальные газообразующие вещества (в основном органические), оттесняющие воздух из зоны сварки; легирующие вещества (в основном ферросплавы), которые улучшали состав и структуру металла шва;

 

шлакообразующие минералы (песок, окись титана и др.), участвующие в легировании и прикрывающие кристаллизующуюся ванну и остывающий шов; и, наконец, стабилизирующие вещества с низким потенциалом ионизации. Обмазку со специальными технологическими свойствами можно было получать, изменяя состав компонентов, например с повышенной жидкотекучестью, легкоплавкостью и другими необходимыми свойствами для успешной сварки в различных условиях.

 

Успехи и неудачи. В 20-х гг. XX в. крупнейшие по тем временам сварные конструкции (баки, котлы, фермы, баржи) были изготовлены в нашей стране на Дальнем Востоке под руководством В. П. Вологди-на, организовавшего технический центр по пропаганде, распространению и внедрению сварки.

В судьбе сварки особую роль сыграл энтузиазм комсомольцев-строителей Кузнецкого (Кузбасс) и

 

В наше время сварные швы соединяют сотни тысяч заводских конструкций. Магнитогорского металлургических комбинатов на Урале. Это были важнейшие стройки молодого Советского государства. Чтобы сохранить экономическую независимость, нужно было поднять уровень производства металла. Темпы строительства превышали расчетные, и трудно было смириться с тем, что многочисленные воздуховоды и газопроводы необходимо клепать, как это предлагали консультанты из американских фирм, ссылаясь на опыт индустриального строительства в США.

 

Комсомольцев Магнитогорского металлургического комбината не смутило отсутствие мирового опыта и отказ консультантов гарантировать безаварийную работу домны. Они обратились к главному инженеру строительства И. П. Бардину, и он разрешил сварку опытного образца. Гидравлические испытания показали — сварная труба прочнее традиционной клепаной!

 

Шли 30-е годы. Котлы и корабли, каркасы зданий и детали мостов, автомобили и вагоны… — диапазон сварных конструкций пополнялся, и казалось, что ничто уже не прервет наступления сварки. Но однажды… Трудно назвать точную дату — различные аварии сварных (да и клепаных) конструкций изредка случались и раньше. Но в 1938-1939 гг. в Западной Европе неожиданно обрушилось несколько мостов. Балки мостов были сварными. В этот период тысячи железнодорожных вагонов в СССР и других странах были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах и тележках. Начались всесторонние исследования.

 

Подвижные температурные поля. Во время сварки теплота, выделяемая сварочным источником нагрева, тратится не только на расплавление металла ванны. Она нагревает также шлаки и газы, окружающие ванну. Кроме того, вместе с ванной нагревается и само изделие. При этом нагревается оно неравномерно: рядом, на границе с ванной, — почти до температуры плавления, а чем дальше от ванны, тем температура ниже.

 

Температура при движении источника нагрева меняется непрерывно: на участках изделия, ближайших к ванне, она сначала резко возрастает, потом снижается. Иная картина в местах, отдаленных от зоны сварки: тепло туда доходит с опозданием, температура плавно повышается и медленно понижается.

 

В результате неравномерного нагрева свариваемые изделия коробятся — деформируются, в металле появляются внутренние напряжения. Очень многие сплавы железа и цветных металлов изменяют свою прочность и пластичность при нагреве выше

 

Нагрев свариваемого изделия характеризуется изотермами — линиями, соединяющими точки с одинаковыми температурными данными. Изотермы обычно можно построить по данным, которые получены непосредственными измерениями при помощи термопар или рассчитаны по формулам. Можно определить температуру нагрева любого участка пластины, подставив в уравнение ее координаты,  определенных температур.

Сила, разрывающая стальные балки. Что происходит с металлом при нагреве, знают все — он расширяется. А если кусочек металла зажат в тисках так, что ему некуда расширяться?

 

Именно в таком положении находятся при сварке участки шва и околошовной зоны. Рассмотрим, как чувствует себя отдельный участок. Вырежем мысленно брусок так, чтобы шов пришелся на середину его длины . Отвлечемся от температурных полей и условно посчитаем, что дуга будет нагревать брусок равномерно до 600°С. И, чтобы приблизить модель к реальным условиям (в которых участки металла связаны между собой), положим брусок между прочными неподвижными стенками (а). Ведь в реальных изделиях участки металла связаны между собой и не имеют возможности перемещаться отдельно.

 

При нагреве металл будет стремиться удлиниться. Однако нашей модели (да и реальному металлу на участке сварки) удлиняться некуда — мешают стенки, и металл начинает «чувствовать» сжимающее усилие от распираемых им стенок. В то же время нагретый металл становится более пластичным и, поддавшись сжатию, сминается (в). Он уже не распирает стенки и, когда начинает остывать, укорачивается на столько, на сколько не смог удлиниться.

 

Если стенки не позволяют бруску свободно сокращаться, если они его держат, то в нем возникнут напряжения растяжения. Так происходит и в реальных условиях сварки, потому что те участки изделия, которые не были нагреты до пластического состояния и сохраняли свою жесткость, препятствуют укорачиванию металла в околошовной зоне. Но и околошовные участки не остаются в долгу — они стремятся сжать расположенный рядом с ними металл.

 

Эта сложная картина деформаций и внутренних напряжений осложняется при сварке пересекающихся швов, при закреплении заготовок перед сваркой, при предварительном подогреве и охлаждении. Сваренные конструкции изгибаются, коробятся, вспучиваются еще задолго до тогр, как начнут эксплуатироваться и примут на себя рабочую нагрузку. Сварочные напряжения растяжения или сжатия суммируются с напряжениями от внешней нагрузки.

 

Но сварщики не ждут, когда деформируется, а тем более разрушится изделие. Специалисты заранее могут рассчитать напряжения и деформации, разработать рекомендации по борьбе с ними.Горячие трещины. Теперь вы уже знаете: металл в зоне сварки и сам сварной шов при остывании, как правило, стремится укоротиться, и если на каком-то участке (там, где очень жесткая конструкция) это невозможно, то возникают внутренние растягивающие напряжения.

 

Помните, как кристаллизуется ванна? В ней существуют одновременно твердая и жидкая фазы. Жидкая фаза «оттесняется» к середине, пополняется легкоплавкими компонентами. Но вот наступает момент, когда твердые кристаллы почти смыкаются и между ними остаются тонкие, иногда уже разрозненные прослойки жидкости. Такой двухфазный металл имеет минимальную пластичность.

 

Стоит только возникнуть растягивающим напряжениям, и кристаллиты, еще не связанные между собой, начинают расходиться, а жидкости в прослойках не хватает для того, чтобы заполнить появившуюся брешь.

 

Невооруженным глазом процесс образования кристаллизационных трещин не всегда и заметен, но об опасных последствиях его часто узнает весь мир. Еще менее заметен процесс образования трещин, возникающих во время перестройки границ при грануляции уже затвердевшего металла. Трещины обоих типов называют горячими, потому что возникают они в нагретом металле.

 

Руководствуясь классической методикой научного решения технической проблемы (исследование процесса — установление причины — поиск мер борьбы), можем подвести итог второму этапу и отметить: причин, по крайней мере, две: свойства металла и непомерные напряжения во время сварки. Отсюда и способы исключения горячих трещин: выбор металла с повышенной стойкостью против дефектов и разработка технологических приемов для исключения неблагоприятных нагрузок.

 

Эти теоретические научные рекомендации в чистом виде при внедрении в производство приходится увязывать с множеством других требований, условий, рекомендаций, часто взаимоисключающих друг друга, например выбор металла. Для облегчения выбора есть даже специальная характеристика — технологическая прочность металла при сварке — способность металла шва или околошовной зоны претерпевать без разрушения упругопластические деформации при высоких температурах в процессе сварки.

 

Допустим, необходимо построить стальной мост. Естественно, вы решаете выбрать металл с хорошей технологической прочностью. Вам известно, что при высоком содержании серы в стали можно исключить горячие трещины. Но не спешите рекомендовать металл и тем более браться за сварку. Впрочем, сварка пройдет хорошо, но, когда шов остынет, прочность его окажется настолько низкой, что балки моста могут не выдержать и собственного веса. Сварить будет легко, а удовлетворить эксплуатационные требования не удастся.

 

Правда, во многих случаях принять или отклонить какой-либо состав бывает еще сложнее. Сплавы содержат много примесей, и отрицательное влияние одного элемента может компенсироваться положительным влиянием другого, да и с изменением количества одного и того же элемента свойства сплава могут резко изменяться.

 

Не проще обстоят дела и со второй рекомендацией — разработкой технологических приемов. Так, например, в швах малой ширины с глубоким про-плавлением скорее образуется трещина, чем в широких швах, но в то же время при сварке широких швов расходуется больше энергии и присадочного металла, возникают максимальные деформации и напряжения, увеличивается зона разупрочнения.

 

Для того чтобы облегчить выбор металла и технологии, ученые предложили специальную характеристику — свариваемость.В понятие свариваемости входит и то, как ведет себя металл во время сварки и после нее: его надежность в эксплуатации и экономичность сварки. Оценивают свариваемость по результатам специальных испытаний. К сожалению, до сих пор ученым не удается прийти к единой методике испытаний и разработать единые количественные показатели — слишком сложна эта комплексная характеристика.

 

Да и задачи испытаний бывают разные: определение свойств нового конструкционного сплава, пригодности новой технологии сборки или сварки, исследование свойств нового сварочного материала.

 

Поры и включения. Кристаллизация, которую мы описали, хотя и кончается иногда горячими трещинами, протекает все же неплохо. А бывает, что в период кристаллизации вдруг начинается сильное газообразование — результат взаимодействия различных компонентов, оказавшихся в ванне, и среды, окружающей ванну. И к этому еще добавляется способность металлов хорошо растворять газы в жидком состоянии и плохо — в твердом.

 

Причем переход от «хорошо» к «плохо» часто происходит скачком. Например, растворимость водорода и азота — газов, которые легко могут попасть в металл из воздуха, и паров воды в железе при температуре около 1500°С сразу изменяется в 3-4 раза. Пузырьки газа выталкиваются из металла как раз в зоне кристаллизации. Но, когда скорость кристаллизации большая, пузырек или часть его может остаться между ветвями дендрита, и тогда дефект неизбежен.

 

Бурное выделение газов еще до кристаллизации — это результат реакций, а реакции — это другой раздел сварочной науки — металлургии сварки. Металлургия учит: в недостаточно раскисленном металле может появиться газ — окись углерода. Чтобы уменьшить выделение газа, вводят «в бой» раскис-лители (титан, кремний, марганец и др.), которые перехватывают кислород, образуют окиси в виде шлаков, а не газов.

 

Строение зоны термического влияния. Рядом со швом находится зона оплавления, за ней размещаются зоны с различными структурными изменениями.

ке, шлаковые частицы все же застывают в затвердевающем металле. Разные по размерам и форме, они по-разному уменьшают прочность металла шва. Наиболее опасные остроугольные.

 

Процесс образования шва не проходит бесследно и для околошовного металла. После сварки остаются деформации и напряжения, изменяются и свойства металла.

Большинство металлов, применяемых в технике, строительстве, быту, — это сплавы основного металла с полезными и вредными примесями. Среди металлов большую группу составляют конструкционные материалы, которые применяются для деталей машин и сооружений.

 

Такие материалы воспринимают силовые нагрузки и поэтому должны обладать определенным комплексом механических свойств, и в первую очередь пластичностью и прочностью. Металлы приобретают эти свойства в результате механической и термической обработки после Литья, закалки, прокатки, штамповки и т. д. И вот во время сварки им снова приходится подвергаться термическому воздействию. В результате «ломаются» структуры, изменяются свойства металлов.

 

Изменения эти возникают на различных участках околошовной зоны по-разному и зависят во многом от термических циклов. Металл в зоне нагрева выше критических температур и вблизи этой зоны может подвергнуться закалке, рекристаллизации, старению и т. д. «Незапланированные» изменения свойств металла на отдельных участках нежелательны и могут привести к самым неожиданным последствиям. Сварщики должны уметь определять, какие структурные превращения произойдут вблизи шва, и учитывать изменения свойств металла.

 

Холодные трещины в сварных соединениях. Сварочные напряжения, структурные превращения, перераспределения элементов металла шва и околошовной зоны иногда могут вызвать серьезный дефект сварного соединения — холодную трещину. Холодные трещины в отличие от горячих, возникающих в процессе кристаллизации, образуются при совсем невысоких температурах, даже после остывания, а иногда и через несколько дней после сварки.

 

Правда, начальные, внешне незаметные трещины появляются все же в первые часы после сварки, а потом, когда сварное изделие начинает нагружаться или попадает в. неблагоприятные температурные условия, трещины «взрываются» с сильным звуком и распространяются на все сечения соединения. Изделия разваливаются.

 

Многолетние исследования понадобились для того, чтобы выяснить только основные закономерности образования холодных трещин. Было выдвинуто и проверено несколько гипотез, некоторые из них разрабатываются до сих пор (водородная, закалочная).

 

Как же узнать, возникнут или нет холодные трещины при сварке какой-либо конструкции? Ученые разработали методы оценки стойкости сварных соединений против образования трещин.  Во время сварки образцов искусственно создаются условия, способствующие образованию трещин. Обычно образец закрепляют на жестком основании — плите большой толщины.

 

А после сварки определяют, не появились ли трещины. Более точные данные можно получить, если подвергать сварные образцы растяжению, кручению, изгибу на специальных испытательных машинах. В этом случае нагрузку можно задать с учетом реальных условий работы сварной конструкции.

 

Тяжело приходится металлу во время сварки. Много неприятностей подстерегает его, и кажется, что невозможно уберечься от пор, трещин, деформаций, напряжений. Но посмотрите — вас окружают металлические конструкции.

 

А где металл, там и сварка. Транспорт и здания, мосты и башни, турбины и резервуары… Они надежно служат людям многие годы, если правильно сконструированы и если качественно сварены. Необходимость строго соблюдать эти два условия доказал известный ученый-мостостроитель академик АН УССР Е. О. Патон.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.