Сварочное производство. Сварочные материалы. Свойства сварных соединений. Дефекты сварных соединений

В. В. Овчинников, М. А. Гуреева





                СВАРОЧНОЕ
                ПРОИЗВОДСТВО




СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Учебник








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
     0-35


Рецензенты:
доктор технических наук, с. н. с. (АО НПО «ЦНИИТМАШ») Феклистов Станислав Ильич;
доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева»)
Шляпин АнатолийДмитриевич





    Овчинников, В. В.
0-35 Сварочное производство. Сварочные материалы. Свойства сварных соединений. Дефекты сварных соединений : учебник / В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 508 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1507-1

          Рассматриваются сведения по различным сварочным материалам, рекомендации по их выбору для выполнения сварных конструкций из конкретных сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Представлены методики расчета необходимого количества электродов, присадочного металла и защитных газов для выполнения сварных соединений. Большое внимание уделено классификации дефектов сварных соединений, причинам их образования, методам выявления и способам устранения.
          Для учащихся средних профессиональных учебных заведений. Может быть полезно специалистам в области сварочного производства.

                                                          УДК 621.791
                                                          ББК 34.641










ISBN 978-5-9729-1507-1

     © Овчинников В. В., Гуреева М. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ВВЕДЕНИЕ


     Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления металлических конструкций. Примерно 35 % металла, изготовленного в мире, поступает на изготовление разнообразных конструкций, выполняемых с применением сварки. Для изготовления сварных конструкций, выполнения различных наплавочных работ также применяется большое количество сварочных материалов.
     Сварочные материалы можно классифицировать следующим образом:
     1.       Материалы, служащие в качестве основного металла для изготовления сварных конструкций.
     2.       Материалы, непосредственно участвующие в образовании сварного соединения, в частности металла шва; к ним относятся штучные плавящиеся электроды при ручной дуговой сварке, электродные проволоки и комбинированные электроды при дуговой сварке в защитных газах, под флюсом и при электрошлаковой сварке, присадочные материалы при различных способах сварки плавлением; в несколько меньшей степени участвуют в формировании состава швов флюсы и активные газы.
     3.       Материалы, непосредственно не участвующие в образовании металла шва; это неплавящиеся электроды - угольные, графитовые, вольфрамовые; инертные защитные газы - аргон, гелий и пр. При электрической контактной сварке - электрода контактных машин.
     Классификация сварочных материалов в связи с их большим разнообразием чрезвычайно затруднена и до настоящего времени ни в России, ни в Международном институте сварки не разработана.
     В большом количестве в сварочном производстве для газопламенной обработки металлов (кислородная резка и др.) используются кислород (сотни тысяч тонн в год) и другие горючие газы.
     В меньшем объеме, но весьма разнообразной номенклатуры, изготовляются и применяются различные другие сварочные материалы: неплавящиеся электроды для дуговой сварки, материалы электродов и губок контактных машин, а также разнообразные специальные присадочные и электродные материалы.
     Суммарное ежегодное потребление сварочных материалов в нашей стране составляет много более 1 млн т. В соответствии с планами перспективного развития на ближайшие 15 лет в связи с увеличением выпуска сварных конструкций. Это, естественно, приведет к увеличению общего расхода сварочных материалов: их ежегодное производство, вероятно, достигнет вскоре 2 млн т.
     Не менее велико и качественное разнообразие сварочных материалов различного назначения. Так, одной только стальной электродной проволоки, централизованно поставляемой металлургической промышленностью имеется около 60 различных составов при различном сортаменте по размерам. Каждый пе

3

риодический пересмотр нормативной документации увеличивает количество марок электродной проволоки.
     В последние годы в России количество марок штучных плавящихся электродов, применяемых для сварочных и наплавочных работ, составило несколько сот. Примерно такое же количество марок электродов применяется и в каждой из других передовых в техническом отношении странах. Из этого количества марок около десяти являются широко применяемыми для изготовления конструкций из обычных сталей, составляющих по объему производства -90 %. Другие марки, используемые отдельными небольшими или средними партиями, применяются для специфических сварочных и наплавочных работ. К ним относятся электроды для сварки среднелегированных и особенно высоколегированных сталей, обеспечивающих получение специальных физических свойств металла швов, электроды для сварки различных цветных металлов и сплавов, наплавочные. Именно эта группа электродов по мере развития производства сварных конструкций подвергается наиболее интенсивным исследованиям, так как находит чрезвычайно разнообразное применение. Ряд марок со временем теряет свою актуальность, разрабатываются и применяются новые марки, как заменяющие старые, так и решающие новые задачи.
     Велика номенклатура сварочных флюсов. Они применяются при автоматической и полуавтоматической дуговой сварке под слоем флюса, по слою флюса (для алюминиевых сплавов), при газовой сварке, дуговой сварке непла-вящимися электродами, при пайке и других процессах. Среди них имеются флюсы массового применения и флюсы со значительно меньшим объемом использования. В связи с отсутствием систематизированных данных о флюсах количество их марок установить очень трудно, но оно, вероятно, характеризуется величиной около 100, и это количество неуклонно растет, так как разработка новых материалов требует разработки и новых флюсов.
     Все большее применение в сварочном производстве находят различные газы и пары горючих жидкостей. Кроме кислорода для газопламенной обработки используется около десяти разновидностей горючих газов, а для дуговой сварки в среде защитных газов примерно такое же количество инертных и активных газов, а также различных газовых смесей.
     Многие сварочные материалы разрабатываются и изготовляются самими потребителями. Хотя их общее использование в сварочном производстве количественно невелико, влияние их правильного выбора на качество и эксплуатационные характеристики различных сварных конструкций может быть решающим. Поэтому процесс разработки новых сварочных материалов чрезвычайно важен, и многие работники сварочного производства, работающие в различных научно-исследовательских учреждениях, заводских лабораториях и других организациях, связаны с их созданием и производством.
     Разработка новых сварочных материалов в основном базируется на проведении экспериментальных исследований, иногда очень трудоемких и дорогих. Это определяется наличием весьма разнообразных факторов, которые необходимо учитывать при разработке новых материалов: стоимость материа

4

лов, технологичность их изготовления и применения, обеспечение определенных заданных свойств сварных или паяных соединений при различных способах изготовления конструкции, дефицитность исходных материалов, особенности их поставки и ряд других.
     В связи с необходимостью сварки все более и более сложных материалов, применяемых в конструкциях, предназначенных для эксплуатации в весьма разнообразных условиях; при различных видах механических нагрузок (от статических до динамических), при различных температурах в химически агрессивных средах и др., создание необходимых для решения этих задач сварочных материалов оказывается все труднее и требует значительных затрат для их разработки. Чисто эмпирические методы решения таких задач требуют большой экспериментальной проверки различных вариантов. Естественно, что любое сокращение числа вариантов, хотя бы по принципу исключения, по общим соображениям или предварительным расчетам явно бесперспективных, является чрезвычайно целесообразным.
     Совершенствование их или применение новых способов соединений только частично решает проблему повышения качества изготовляемых конструкций, так как даже при хорошо отработанной технологии сварки возможны различного рода дефекты, приводящие к снижению надежности и долговечности изделий. В связи с этим важное значение для повышения качества изготовляемых конструкций приобретают методы неразрушающего контроля.
     В ряде отраслей промышленности неразрушающий контроль сварных соединений выделен в самостоятельный технологический процесс, так как в большинстве случаев трудоемкость контроля соизмерима с трудоемкостью процесса сварки. Затраты на контроль при изготовлении ряда конструкций превосходят затраты на их сварку, а стоимость контрольных операций может достигать 25.35 % общей стоимости конструкции. Это объясняется, прежде всего тем, что уровень механизации и автоматизации сварочных работ достаточно высок (35.40 %), в то время как доля автоматизированного неразрушающего контроля незначительна (1.2 %). Поэтому в настоящее время особое внимание обращают на ускоренное внедрение автоматизированных методов контроля качества сварных соединений.
     Разработана и осуществляется специальная программа по внедрению в сварочное производство современных средств и методов неразрушающего контроля (акустической эмиссии, голографии, томографии и др.). Дальнейшее развитие получат и традиционные методы неразрушающего контроля. К таким методам относят радиационную, ультразвуковую, магнитную и капиллярную дефектоскопию, а также испытания изделий на герметичность.
     Следует отметить, что среди перечисленных методов контроля нет такого, который гарантировал бы выявление всех дефектов сварки. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками. Например, при использовании радиационных методов контроля достаточно уверенно обнаруживают объемные дефекты небольшого размера (0,1 мм и более) и значительно хуже - несплавления, трещины и стянутые непровары (35.40 %). Ультразву

5

ковой метод, наоборот, более чувствителен к плоскостным дефектам и малоэффективен при контроле конструкций с дефектами в виде пор размером 1 мм и менее. Для выявления поверхностных дефектов применяют или капиллярный, или. магнитные методы контроля.
      Практика показывает, что правильная организация процессов контроля, а также умелое применение того или иного метода или сочетания методов при контроле позволяют с большой надежностью оценить качество сварных соединений.
      Растущие требования к качеству выпускаемой продукции выдвинули задачу подготовки специалистов, владеющих необходимой совокупностью знаний по технологии сварки, аппаратуре контроля и организации контрольных служб.
      В учебнике рассматриваются сведения по различным сварочным материалам, рекомендации по их выбору для выполнения сварных конструкций из конкретных сталей, титановых и алюминиевых сплавов, а также представлены методики расчета необходимого количества электродов, присадочного металла и защитных газов для выполнения сварных соединений. Большое внимание уделено классификации дефектов сварных соединений, причинам их образования, методам выявления и способам устранения.

6

Глава 1

        МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ



        1.1. Сварочная проволока

     В большинстве случаев сварки плавлением и при всех наплавочных работах в расплавляемый основной металл вводится добавочный, наплавляемый; в результате их смешивания образуется сварочная ванна. Введение добавочного металла осуществляется посредством расплавления сварочным источником тепла специальных сварочных материалов. Они могут вводиться в сварочное пространство как энергетически связанными с источником тепла (дуговая сварка плавящимся электродом и электрошлаковая сварка токоведущим электродом), так и автономно, непосредственно не связанными с источниками тепла (газовая сварка, сварка неплавящимся электродом).
     При газовой сварке и наплавке пламя может быть использовано либо только для разогрева основного металла, либо для нагрева основного и расплавляемого добавочного (присадочного) металла. Соотношения количеств расплавляемого основного и присадочного металлов при таком процессе могут изменяться в более широких пределах.
     При ручных способах сварки (наплавки), как при дуговой сварке плавящимся электродом, так и при сварке с автономным введением присадки (газовая, аргонодуговая сварка), размеры электродов (или присадки), в том числе и их длина, ограничиваются удобством управления ими, а иногда и особенностями их плавления, связанными с режимом источника тепла. При автономном введении присадки в пламя или дугу неплавящегося электрода для удобства работы длина присадки, вводимой вручную, обычно ограничивается ~800 мм.
     Для механизированных способов сварки (наплавки), наоборот, удобнее пользоваться плавящимися электродами (электродной проволокой), а иногда и присадочной проволокой большой длины, позволяющими достаточно длительно выполнять сварочную операцию без перерыва на их смену.
     Наиболее распространенным материалом для плавящихся электродов при дуговой сварке, токоведущих электродов при электрошлаковых процессах и в качестве присадок при других способах сварки является проволока, полученная либо горячей прокаткой - катанка, либо волочением после горячей прокатки. Поперечное сечение такой проволоки обычно представляет собой круг.
     Для электрошлаковой сварки кроме проволочных применяются и специальные электроды в виде пластинчатых и пластино-проволочных. При этом пластинчатые электроды представляют собой ленты или вырезанные из листов пластины необходимой формы.
     Сварочная проволока из стали. При сварке сталей в основном используют холоднотянутую стальную сварочную проволоку по ГОСТ 2246-70, который предусматривает изготовление проволоки семидесяти пяти марок. В зависимости от уровня легирования сварочная проволока по ГОСТ 2246-70 подраз-7

деляется на низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную. Низкоуглеродистую проволоку изготовляют шести марок. Высоколегированную проволоку изготовляют тридцати девяти марок.
     В зависимости от назначения стальную сварочную проволоку подразделяют на проволоку для сварки (наплавки) и проволоку для изготовления электродов (условное обозначение Э). Подразделение проволоки по назначению обусловлено более жесткими предельными отклонениями по диаметру проволоки для изготовления электродов.
     По виду поверхности низкоуглеродистую и легированную проволоку подразделяют на неомедненную и омедненную (О). Специальные требования к омеднению поверхности проволоки (включая суммарное содержание меди) устанавливаются техническими условиями.
     По требованию потребителя проволока должна изготовляться из стали, выплавленной электрошлаковым (Ш) или вакуумно-дуговым (ВД) переплавом или в вакуумно-индукционных печах (ВИ). При этом дополнительные требования к металлу проволоки (ужесточение норм по содержанию вредных и посторонних примесей, введение ограничений по содержанию газов, неметаллических включений и т.п.) устанавливаются соглашением сторон.
     В условном обозначении сварочной проволоки указывают диаметр и марку проволоки, приведенные выше индексы, характеризующие способ выплавки стали, назначение и вид поверхности проволоки, а также обозначение стандарта.
     В низкоуглеродистой проволоке марок Св-08ГА, Св-10ГА и Св-10Г2 и легированной проволоке (не легированной алюминием) остаточное содержание алюминия не должно превышать 0,05 %.
     Химический состав проволок, поставляемых по ГОСТу 2246-60, приведен в табл. 1.1.
     Проволоку с неомедненной поверхностью поставляют свернутой в мотки. Размеры и масса мотков должны соответствовать данным табл. 1.2.
     Проволоку с омедненной поверхностью поставляют в мотках прямоугольного сечения. Для проволок диаметром 1,6...3,0 мм требуемые размеры мотков оговаривают в заказе. Проволока в мотках (катушках, кассетах) должна состоять из одного отрезка, свернутого неперепутанными рядами и плотно увязанного таким образом, чтобы исключить возможность распушивания или разматывания мотка.
     Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без трещин, расслоений, плен, закатов, раковин, забоин, окалины, ржавчины, масла и других загрязнений. На поверхности проволоки допускаются риски (в том числе затянутые), царапины, местная рябизна и отдельные вмятины. Глубина указанных пороков не должна превышать предельного отклонения по диаметру проволоки.
     С согласия потребителя проволоку марок Св-18ХГС и Св-18ХМА для предохранения от коррозии разрешается покрывать сплошным слоем нейтральной смазки, хорошо растворимой в бензине.

8

Химический состав проволок для сварки сталей, мае. %

Таблица 1.1

   Марка         С          Si          Мп          Сг         Ni         Мо          Ti        S     Р        Прочие     
 проволоки                                                                                     не более   элементы, мае. %
                                          Низкоуглеродистая проволока                                                      
   Св-08    <0,10       <0,03       0,35...0,60 <0,15         <0,30       ---         ---     0,04  0,04  <0,01А1         
  Св-08А    <0,10       <0,03       0,35...0,60 <0,12         <0,25   ---             ---     0,03  0,03  <0,01А1         
Св-08АА     <0,10       <0,03       0,35...0,60 <0,10         <0,25       ---         ---     0,02  0,02  <0,01А1         
Св-08ГА     <0,10       <0,06       0.80...1,10 <0,10         <0,25   ---             ---     0,025 0,03  ---             
Св-ЮГА      <0,12       <0,06       1,10...1,40 <0,20         <0,30       ---         ---     0,025 0,03  ---             
Св-10Г2     <0,12       <0,06       1,50...1,90 <0,20         <0,30   ---             ---     0,03  0,03  ---             
                                             Легированная проволока                                                        
Св-08ГС     <0,10       0,6...0,85   1,4...1,7  <0,20         <0,25   ---         ---         0,025 0,03  ---             
Св-12ГС     <0,14       0,6...0,9   0,8...1,1   <0,20         <0,30       ---         ---     0,025 0,03  ---             
Св-08Г2С    0,05...0,11 0,7...0,85  1,8...2,1   <0,20         <0,25   ---             ---     0,025 0,00  ---             
Св-ЮГН      <0,12       0,15...0,35 0,9...1,2   <0,20       0,9...1,2 ---             ---     0,025 0,03  ---             
 Св-08ГСМТ  0,06...0,11 0,4...0,7     1...1,3   <0,30         <0,30    0,2...0,4  0,05...0,12 0,025 0,03  ---             
                                                                                                            0,2...0,5А1;  
Св-15ГСТЮЦА 0,12...0,18 0,45...0,85   0,6...1   <0,30         <0,40        -      0,05...0,2  0,025 0,025  0,05...0,15Zr; 
                                                                                                          >0,06Се         
Св-20ГСТЮА  0,17...0,23 0,6...0,8   0,9...1,2   <0,30         <0,40   -            0,1...0,2  0,025 0,025  0,2... 0,5 А1; 
                                                                                                            0,3...0,5Се   
Св-18ХГС    0,15...0,22 0,9...1,2   0,8...1,1    0,8..1,1     <0,30   ---         ---         0,025 0,03  ---             
Св-ЮНМА     0,07...0,12 0,12...0,35 0,4...0,7   <0,20        1...1,5  0,4...0,55      ---     0,025 0,020 ---             
Св-08МХ     0,06...0,1  0,12...0,3  0,35...0,6  0,45...0,65   <0,30   0,4...0,6   ---         0,025 0,03  ---             
Св-08ХМ     0,08...0,1  0,12...0,3  0,35...0,6   0,9...1,2    <0,30   0,5...0,7       ---     0,025 0,03  ---             
Св-18ХМА    0,15...0,22 0,12...0,35 0,4...0,7    0,8...1,1    <0,30   0,15...0,3      ---     0,025 0,025 ---             
Св-18ХНМ    <0,10       0,12...0,35 0,5...0,8    0,7...0,9  0,8...1,2 0,25...0,45     ---     0,025 0,03  ---             
 Св-08ХМФА  0,08...0,1  0,12...0,3  0,35...0,6   0,9...1,2    <0,30   0,5...0,7       ---     0,025 0,025   0,15...0,3V   

Продолжение таблицы 1.1

   Марка          С          Si          Мп           Сг          Ni         Мо          Ti        S     Р        Прочие     
 проволоки                                                                                        не более   элементы, мае. %
  Св-ЮХМФТ   0,07...0,12    <0,35    0,4...0,7    1,4...1,8     <0,30    0,4...0,6   0,05...0,12 0,03  0,03    0,20...0,25V  
 Св-08ХГ2С   0,05...0,11 0,7...0,96  1,7...2,1     0,7...1      <0,25    ---             ---     0,025 0,03        ---       
Св-08ХГСМА   0,06...0,1  0,45...0,7  1,15...1,45 0,85...1,15    <0,30    0,4...0,6       ---     0,025 0,025       ---       
Св-10ХГ2СМА  0,07...0,12 0,6...0,9   1,7...2,1   0,8...1,1      <0,30    0,4...0,6       ---     0,02  0,02        ---       
Св-08ХГСМФА  0,06...0,1  0,45...0,7  1,2...1,8   0,95... 1,25   <0,30    0,5...0,7       ---     0,02  0,02    0,2...0,25V   
 Св-04Х2МА   <0,06       0,12...0,35 0,4...0,7    1,8...2,2     <0,25    0,5...0,7       ---     0,02  0,02        ---       
Св-13Х2МФТ   0,10...0,15    <0,35    0,4...0,7    1,7...2,2     <0,30    0,4...0,6    0,050,12   0,03  0,03     0,20-0,25V   
Св-08ХЗГ2СМ  <0,10       0,45...0,75   2...2,5      2...3       <0,30    0,3...0,5       ---     0,030 0,030       ---       
Св-08ХМНФБА  0,06...0,1  0,12...0,3  0,35...0,6  1,10...1,4   0,65...0,9 0,8...1          -      0,02  0,02    0,2...0,35V;  
                                                                                                              0,16...0,23Nb; 
Св-08ХН2М    <0,10       0,12...0,3  0,55...0,85   0,7...1    1,4...1,8  0,2...0,4       ---     0,02  0,03        ---       
Св-10ХН2ГМТ  0,07...0,12 0,12...0,3  0,8...1,1    0,3...0,6   1,8...2,2  0,4...0,6   0,05...0,12 0,02  0,03        ---       
Св-08ХН2ГМТА 0,09...0,11 0,12...0,3  0,8...1,1   0,25...0,45  2,1...2,8  0,25...0,45 0,05...0,12 0,02  0,03        ---       
Св-08ХН2МЮ   0,09...0,11 0,25...0,55 1...1,4      0,7...1,1    2...2,5   0,4...0,75      ---     0,02  0,03  0,06... 0,18 Al 
    Св-      0,09...0,11 0,4...0,7   1,5...1,9     0,7...1     2...2,5   0,45...0,65      -      0,02  0,03   0,06...0,18A1  
 08ХН2Г2СМЮ                                                                                                                  
  Св-08НЗ    <0,08          <0,30    0,4...0,7      <0,30      3...3,5       ---         ---     0,02  0,03        ---       
  Св-10Х5М   <0,12       0,12...0,35 0,4...0,7     4...5,5      <0,30    0,4...0,6       ---     0,02  0,03        ---       
                                           Высоколегированная проволока                                                       
Св-12ХЦНМФ   0,08...0,15 0,25...0,55 0,55...0,65  10,5...12   0,6...0,9  0,6...0,9       ---     0,02  0,03    0,25...0,5V   
Св-ЮХЦНВМФ   0,08...0,13 0,3...0,6   0,35...0,65  10,5...12   0,8...1,1    1...1,3        -      0,02  0,03   0,25...0,5 V;  
                                                                                                                 1...1.5W    
  СВ-13Х13   0,09...0,14 0,3...0,7   0,3...0,7     12...14       <0,6    ---             ---     0,02  0,03        ---       
  Св-20Х13   0,16...0,24    <0,6        <0,6       12...14       ---         ---         ---     0,02  0,03        ---       
  Св-08Х14   <0,18       0,3...0,7   0,3...0,7     13...15       <0,6    ---             ---     0,02  0,03        ---       
Св-08Х14ГНТ  <0,10       0,25...0,65 0,9...1,3   12,5...14,5  0,4...0,9      ---       0,6...1   0,02  0,03        ---