Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

Бейнитное превращение, называемое также  промежуточным, характерно при сварке большинства углеродистых и легированных сталей. Оно происходит в интервале  температур от 770 К до температуры начала мартенситного превращения, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практически отсутствуют, а диффузия углерода еще достаточно существенна. Различают верхний (Б_в) и нижний (Б_н) бейнит, образующиеся соответственно в верхней и нижней части температурного интервала превращения.

Бейнитное превращение сочетает элементы перлитного и мартенситного превращений. Ему предшествует диффузионное перераспределение углерода в аустените, в результате чего образуются участки, обедненные и обогащенные углеродом. Дифференциация участков по содержанию углерода тем больше, чем выше температура превращения. При образовании Б_в в обедненных участках возникает пересыщенная углеродом ферритная фаза по мартенситному механизму (низкоуглеродистый мартенсит). В обогащенных участках аустенита выделяются карбиды Окружающий карбиды аустенит с уже пониженным содержанием углерода претерпевает (γ→α)-превращение. Отдельные обогащенные участки не претерпевают бейнитного превращения, а при дальнейшем охлаждении превращаются в мартенсит или остаются в виде аустенита. Бейнит Б_в имеет перистое строение. В нем мелкие карбидные образования (в виде коротких палочек) располагаются главным образом между сравнительно крупными пластинками феррита. При образовании Б_н из-за меньшей подвижности углерода ферритная фаза в большей степени пересыщена углеродом, поэтому карбиды выделяются главным образом внутри ферритной фазы сразу после ее образования, подобно отпуску мартенсита. По этой причине иногда Б_н по структуре и свойствам считают аналогичным отпущенному мартенситу. Строение Б_н — игольчатое с мельчайшими карбидными частицами, расположенными в объеме ферритных пластин. Верхний бейнит имеет пониженную прочность и невысокие пластичность и вязкость из-за относительно больших размеров составляющих структуры и повышенного количества нераспавшегося аустенита. Нижний бейнит, особенно образовавшийся при температурах на 50–100 К выше температуры начала мартенситного превращения, наоборот, обладает благоприятным сочетанием указанных свойств.

При непрерывном охлаждении в условиях сварки часто ни один вид превращения аустенита не успевает завершиться полностью, а по мере снижения температуры виды превращений сменяют друг друга. Химический состав стали, макро- и микроструктура и размеры аустенитного зерна в шве и ЗТВ – главные факторы, определяющие механические свойства, склонность к образованию холодных трещин и сопротивляемость хрупким разрушениям этих зон сварного соединения.

1.3.3.3.5 Способы регулирования структуры  сварных соединений

Регулирование структуры ставит целью  уменьшение содержания закалочных составляющих — мартенсита и нижнего бейнита, повышения температуры их образования и получения наиболее благоприятной их внутренней тонкой структуры, уменьшения размера действительного аустенитного зерна. Регулирование структуры ЗТВ и шва возможно путем выбора рациональной системы легирования и состава стали и сварочных проволок и термического цикла сварки. Выбор состава стали возможен на этапах конструкторско-технологической проработки сварных узлов или разработки сталей для вновь создаваемых конструкций. Выбор оптимального теплового режима сварки (q/v, температур предварительного, сопутствующего и последующего подогрева) – весьма эффективный технологический способ регулирования структуры металла сварных соединений. Его воздействие на структуру проявляется через параметры сварочного термического цикла.

Для углеродистых и низколегированных  сталей, не содержащих карбидообразующих элементов, наиболее важный параметр — скорость остывания в диапазоне 873–773 К. Для них в пределах практически всех способов сварки можно обеспечить такую скорость, чтобы получить ферритоперлитную или перлитно-бейнитную структуру, не склонную к холодным трещинам. Поэтому для повышения сопротивляемости сварных соединений этих сталей образованию трещин эффективны повышение q /v и применение предварительного подогрева до температуры Т_п = 370–570 К.

Для среднеуглеродистых, среднелегированных, содержащих карбидообразующие элементы сталей при сварке в широком диапазоне режимов характерно мартенситное превращение. Для получения благоприятной структуры при сварке этих сталей эффективно снижение q/v, применение концентрированных источников теплоты (плазменной, электронно-лучевой и лазерной сварки). Также полезен сопутствующий подогрев, обеспечивающий замедление охлаждения при температуре несколько выше температуры начала мартенситного превращения и приводящий к самоотпуску мартенсита.

Для низкоуглеродистых среднелегированных, никельсодержащих сталей при сварке в широком диапазоне характерно превращение в области нижнего бейнита, а затем мартенсита. При их сварке рекомендуется умеренный подогрев (до 350–400 К), обеспечивающий бейнитное превращение при возможно более высоких температурах. Весьма эффективны сопутствующий и последующий подогрев (при 400–480 К), приводящий к самоотпуску мартенсита.

1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке

Холодной трещиной называют локальное  хрупкое межкристаллическое разрушение металла сварных соединений. Она представляет собой дефект в соединениях углеродистых и легированных сталей, если при сварке они претерпевают частичную или полную закалку. Трещины образуется после окончания сварки в процессе охлаждения ниже температуры 420–370 К или в течение последующих суток. Они могут возникать во всех зонах сварного соединения и располагаться как параллельно, так и перпендикулярно к оси сварного шва (рис. 36). Место образования трещин и их направление зависит от состава металла шва и состава основного металла, соотношений компонент сварочных напряжений и др. обстоятельств. Наиболее часты продольные холодные трещины в околошовной зоне. Образование холодной трещины начинается с зарождения ее очага на границах аустенитных зерен на участке ОШЗ, примыкающем к линии сплавления. Протяженность очага трещин составляет не более двух-трех диаметров аустенитных зерен. При этом разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое. Дальнейшее развитие очага в холодную микро- и макротрещину может носить смешанный характер, т.е. происходить как по границам, так и по телу зерен (рис. 37). Развитие трещин, особенно по телу зерен, сопровождается заметной пластической деформацией. Излом холодной трещины – светлый, без следов окисления; блестящий крупнокристаллический в зоне очага и матовый мелкозернистый в зоне развития трещины.

Холодная трещина – один из случаев замедленного разрушения свежезакаленной стали. Закономерности подобного разрушения следующие:

1) разрушение носит межкристаллический характер;

2) разрушение происходит через некоторый инкубационный период после приложения нагрузки при условии деформирования с малыми скоростями (ε 10^-4 с^-1) или действия постоянного усилия;

3) сопротивляемость замедленному разрушению значительно меньше кратковременной прочности и зависит от времени действия нагрузки;

4) сопротивляемость замедленному разрушению стремится к некоторому минимальному значению (σ_p,min), которое соответствует периоду времени 10–20 ч после окончания термического воздействия и приложения минимальной разрушающей нагрузки. После этого сопротивляемость разрушению возрастает в течение от 1 до 10 суток в результате так называемого процесса «отдыха»;

5)склонность к замедленному  разрушению полностью подавляется  при охлаждении ниже 200 К, восстанавливаясь при последующем нагреве до нормальной температуры; заметно ослабляется при нагреве до 370–420 К; полностью исчезает при нагреве до 470–570 К.

Зарождение очага замедленного разрушения свежезакленной стали связывают  с микропластической деформацией (МПД) в приграничных зонах зерен. Наличие в структуре такой стали незакрепленных, способных к скольжению дислокаций при действии сравнительно невысоких напряжений обуславливают МПД. Особенно велика плотность МПД в свежезакаленном мартенсите. Значение МПД лежит в пределах 10^-6–10^-4 и проявляется при напряжениях выше предела неупругости или микроскопического предела текучести σ_А . Процесс МПД – термически активируемый, т.е. его скорость зависит от температуры и значения приложенных напряжений. После отдыха способность закаленной стали к МПД исчезает. Конечные высокая твердость и предел текучести закаленной стали – результат старения, при котором происходит закрепление дислокаций атомами углерода. Особенности развития МПД достаточно хорошо объясняют приведенные выше закономерности замедленного разрушения.

Механизм межкристаллического разрушения при образовании очагов замедленного разрушения может быть объяснен тем, что максимальная плотность дислокаций и интенсивность МПД приходятся на приграничные зоны зерен. Это обусловлено тем, что мартенситное превращение начинается в центральных частях зерен в верхней части температурного интервала превращения, а заканчивается в нижней части в приграничных зонах этого интервала. Кроме того, при образовании пластинчатого мартенсита его иглы при выходе на границы зерен вызывают в зонах, примыкающих к ним, появление высоких плотности дислокаций и уровня микронапряжений. При длительном нагружении по границам зерен развивается локальная МПД, в результате чего реализуется межкристаллическое разрушение по схеме, предполагающей относительное проскальзывание и поворот зерен по границам.

Основные факторы, обуславливающие  образование холодных трещин, следующие:

1) структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа и размером действительного аустенитного зерна;

2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения трещины;

3) уровень растягивающих сварочных напряжений.

Способы оценки склонности металла  сварных соединений к образованию  холодных трещин подразделяют:

1) по характеру процедуры оценки на:

а) косвенные. Позволяют оценивать склонность к трещинам расчетным путем по химическому составу стали без испытания сварных соединений;

б)прямые. Включают сварочные технологические  пробы и специализированные механические испытания сварных соединений;

2) по характеру критерия оценки на:

а) качественные;

б) количественные;

3) по характеру использования критериев оценки на:

а) сравнительные;

б) абсолютные.

Способы предотвращения образования  холодных трещин в сварных соединениях  направлены на уменьшение или устранение основных факторов, обуславливающих их образование. Это можно сделать путем:

1) регулирования структуры металла сварных соединений;

2) снижения концентрации диффузионного водорода в шве;

3) уменьшения уровня сварочных напряжений.

Наиболее часто для предотвращения образования холодных трещин применяют  предварительный или последующий подогрев сварных соединений. При сварке низколегированных и углеродистых сталей, не содержащих активных карбидообразующих, подогрев может исключить образование закалочных структур в шве и зоне термического влияния. Кроме того, он способствует интенсивному удалению диффузионного водорода из соединения. При невозможности или нецелесообразности применения подогрева проводят низкий или высокий отпуск сварных соединений непосредственно после сварки. Эффективно применение сварочных материалов, имеющих более низкие температуры кристаллизации, превращения аустенита, чем у основного металла, а также имеющих повышенную растворимость водорода и пониженный коэффициент его диффузии.

Способы снижения концентрации водорода в металле сварных швов, главным  образом, основаны на устранении источников, снабжающих атмосферу дуги водородом (прокалка электродов, флюсов, осушение защитных газов, очистка свариваемых кромок и свариваемой проволоки от ржавчины, масла и т.п.). В ряде случаев предусматривается связывание водорода в атмосфере дуги в нерастворимые в жидком железе соединения.

Мероприятия по снижению уровня сварочных  напряжений всегда способствуют повышению  стойкости сварных соединений образованию трещин.

2 Особенности технологии ручной  дуговой сварки неповоротных  стыков

2.1 Сварочные электроды

2.1.1 Классификация сварочных электродов

Сварочными материалами для  РДС являются сварочные электроды. Они представляют собой металлические стержни, покрытые особым составом – обмазкой, или, согласно официальной терминологии, покрытием. Конец электрода свободен от покрытия для обеспечения электрического контакта с держателем. От химического состава и стержня, и покрытия зависит характер металлургических процессов, происходящих при сварке. Электроды классифицируются по целому ряду признаков:

1) по назначению:

а) для сварки сталей:

-) низкоуглеродистых и низколегированных сталей (σ_пч 590 МПа); условное обозначение для этих электродов – У;

-) легированных сталей (σ_пч 590 Мпа) – Л;

-) теплоустойчивых сталей – Т;

-) высоколегированных специальных сталей – В;

-) прочих сталей; – П;

б) для сварки чугуна;

в) для сварки алюминия;

г) других материалов;

2) по толщине покрытия. Для классификации вводится показатель К_п , равный отношению наружного диаметра электрода (измеренного по обмазке) к диаметру электродного стержня (К_п=D/d):

а) с малой толщиной покрытия (Кп<1,27) – М;

б) со средней толщиной покрытия (1,27 Кп<1,45) – С;

в) с толстым покрытием (1,45 Кп<1,1,75) – Д;

г) с особо толстым покрытием (Кп >1,75) – Г;

3) по виду покрытия:

а) кислые (или рудно-кислые) – А;

б) основные (фтористо-кальциевые) – Б;

в) рутиловые – Р;

г) целлюлозные (органические) - Ц;

4) по механическим свойствам металла шва (ГОСТ 9467-75):

а) Э38;

б) Э42;

в) Э46;

г) Э50;

…

о) Э150;

5) по способу нанесения покрытия:

а) окунанием;

б) опрессовкой;

6) по качеству. Под качеством, связанным с изготовлением, понимают равномерность нанесения обмазки, волнистость, эксцентричность нанесения обмазки (наиболее важный показатель). Различают три группы электродов по качеству:

а) 1 группа;

б) 2 группа;

в) 3 группа;

7) по пространственному положению сварки электроды различают:

а) для сварки во всех положениях – 1;

б) для всех положений кроме вертикального сверху вниз - 2;

в) для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх – 3;

г) для нижнего положения и нижнего в лодочку - 4;

8) по роду тока, полярности, оптимальному напряжению холостого хода:

Таблица 5

Классификация электродов по роду тока, полярности напряжению холостого хода

Род тока, полярность	Uх.х.		Вид электрода
	Номинал	Допуск
Обратная	-	-	0
Любая (перем. ток) Прямая Обратная	50	5	1 2 3
Любая (перем. ток) Прямая Обратная	70	5	4 5 6
Любая (перем. ток) Прямая Обратная	90	5	7 8 9