Мустафин Ф.М. - Сварка трубопроводов
.pdfласть применения, режимы сварки, обработки и механические по казатели сварного шва, свойства наплавленного металла и коэф фициент наплавки.
ГЭлектроды, изготовленные по ГОСТ, обеспечивают устойчи вое горение дуги и спокойное равномерное плавление покрытия. Шлак ровным слоем покрывает наплавляемый металл и легко уда ляется после остывания. Трещины, газовые поры и шлаковые включения в сварном шве не образуются. Химический состав ме талла шва и допустимое содержание серы и фосфора указывают в паспорте электрода. Содержание серы и фосфора в металле сварного шва при сварке низкоуглеродистых и низколегирован ных сталей должно быть не более 0,05 %, при сварке легированных сталей повышенной прочности — не более 0,04 %. Сварные швы высоколегированных сталей должны содержать не более 0,025 % серы и 0,03 % фосфора^
Для сварки углеродистых и низколегированных конструкци онных сталей предусмотрены девять типов электродов: Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60; для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности пять типов: Э70, Э85, Э100, Э125, Э150. Кроме того, предусмотрены де вять типов электродов для сварки теплоустойчивых сталей.
Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указываю щей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Та кие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Для изготовления стержней большинства электродов, пред назначенных для сварки углеродистых и легированных конструк ционных сталей, применяют проволоку марок Св-08 и Св-08А.
Тип электрода выбирают исходя из условия обеспечения равнопрочности сварного шва и основного металла. Характеристика металла сварного шва, выполненного электродами различных типов, приведена в табл. 4.3, 4.4.
Каждому типу электрода соответствует несколько марок элек тродов. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОМА-2, АНО-б, МЭЗ-04 и др. Марка электрода — это его промышленное обозначение, как правило, характеризующее стержень и покрытие.
Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабили зирующие и ионизирующие) и толстые (качественные). Назначе-
215
Таблица 4.3
Механические свойства металлов шва, наплавленного при дуговой сварке металлическими электродами для конструкционных сталей
|
|
|
|
|
|
Угол загиба |
|
|
|
Временное |
|
|
для металла |
||
|
Тип |
Относительное |
Ударная |
соединения, |
|||
|
сопротивле |
||||||
электрода |
удлинение |
вязкость, |
сваренного |
||||
ние разрыву, |
электродами |
||||||
|
|
|
Дж/см2 |
||||
|
|
МПа |
|
|
диаметрами |
||
|
|
|
|
|
|
менее 3 мм, |
|
|
|
|
|
|
|
град. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э38 |
370 |
|
14 |
29 |
60 |
|
|
Э42 |
410 |
|
18 |
78 |
150 |
|
|
Э46 |
450 |
|
18 |
78 |
150 |
|
|
Э50 |
490 |
|
16 |
69 |
120 |
|
|
Э42А |
410 |
|
22 |
147 |
180 |
|
|
Э46А |
450 |
|
22 |
137 |
180 |
|
|
Э50А |
490 |
|
20 |
127 |
150 |
|
|
Э55 |
540 |
|
20 |
117 |
150 |
|
|
Э60 |
590 |
|
18 |
98 |
120 |
|
|
Э70 |
690 |
|
14 |
59 |
|
|
|
Э85 |
840 |
|
12 |
49 |
|
|
|
Э100 |
980 |
|
10 |
49 |
|
|
|
Э125 |
1225 |
|
8 |
39 |
|
|
|
Э150 |
1470 |
|
6 |
39 |
|
|
ние тонкого покрытия — облегчить возбуждение дуги и стабили зировать ее горение. Для этого покрытие составляют из вещества, атомы и молекулы которого обладают низким потенциалом иони зации, т. е. легко ионизируются в воздушном промежутке дуги. Такими веществами являются калий, натрий, кальций, барий, ли тий, стронций и др. Они применяются, как правило, в виде угле кислых солей: мел (СаС03 ), поташ (КСОэ), углекислый барий (ВаСОэ) и др. В качестве связующего вещества применяют жидкое стекло, представляющее собой силикат натрия. Покрытие наносят на стержень электрода слоем 0,1 — 0,25 мм, что составляет 1,5 — 2 % от массы электрода. Тонкое покрытие не создает защиты для рас плавленного металла шва, и поэтому при сварке происходит окис ление и азотирование наплавленного металла. Шов получается хрупкий, пористый, с различными неметаллическими включения ми. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при вы полнении неответственных сварных швов.
216
Таблица 4.4
Механические свойства металлов шва, наплавленного при дуговой сварке металлическими электродами для легированных теплоустойчивых сталей
Тип электрода |
Временное сопро |
Относительное |
Ударная вязкость, |
||
тивление разрыву, |
|||||
удлинение Р5. % |
Дж/см2 |
||||
|
|||||
|
МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
98 |
|
Э09М |
440 |
18 |
|
||
Э09МХ |
450 |
18 |
|
|
|
Э09Х1М |
470 |
18 |
|
|
|
Э05Х2М |
470 |
18 |
|
|
|
Э09Х2М1 |
490 |
16 |
|
78 |
|
Э09Х1МФ |
490 |
16 |
|
7 В |
|
Э10Х1М1НФБ |
490 |
15 |
|
69 |
|
Э10ХЗМ1БФ |
540 |
14 |
|
59 |
|
Э10Х5МФ |
540 |
14 |
|
59 |
|
Примечания: 1. В таблице даны механические свойства металла после терми ческой обработки по режимам, регламентированным техническими условия ми или паспортами на электроды конкретных марок. 2. Механические свой ства соединений, сваренных электродами, диаметр которых меньше 3 мм, должны соответствовать техническим условиям и паспортам на электроды конкретных марок.
Материалы, используемые для изготовления электродных по крытий, должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов или ТУ (приложение 1, табл. Ш.2.).
Наиболее простым тонким покрытием является меловое. Оно состоит из мелкопросеянного чистого мела, разведенного на жид ком стекле. На 100 массовых частей мела берут 25 — 30 массовых частей жидкого стекла и полученную смесь размешивают в воде до сметанообразного состояния. Электродные стержни окунают в этот раствор и сушат при комнатной температуре или в сушиль ных шкафах при температуре 30 — 40 °С. Такие электроды дают при сварке швы очень низкого качества и поэтому применяются очень редко. Более качественные сварные швы дают электроды с тонким покрытием марок К-3 и А-1. Основной составляющей этих покрытий является титановый концентрат. Покрытие К-3 содержит 57,8 % титанового концентрата и 42,2 % марганцевой руды, а жидкое стекло составляет 25 —35 % к массе концентрата и руды. Покрытие А-1 содержит 86,6 % титанового концентрата,
217
10,2 % марганцевой руды и 3,2 % калиевой селитры. Жидкое стек ло берут в количестве 30 — 35% к массе остальных компонентов. При сварке тонкостенных изделий хорошие результаты дает по крытие МТ, состоящее из 62 % титанового концентрата, 31 % поле вого шпата и 7 % хромовокислого калия. Жидкое стекло составля ет 30 % к массе остальных компонентов. Кроме этих покрытий применяют и ряд других, имеющих различные назначения.
Электроды с толстым покрытием применяют для получения сварных соединений высокого качества, поэтому эти покрытия называют качественными. Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги, защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха, раскисляет в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак, изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей, удаляет серу и фос фор из расплавленного металла шва, образует шлаковую корку над металлом шва, замедляет его охлаждение и тем самым способ ствует выходу газов и неметаллических включений на поверх ность металла шва.
Теория сварочных процессов дает возможность точно рассчи тать состав электродных покрытий в зависимости от состава сва риваемого металла и требований, предъявляемых к сварочному шву. Для выполнения перечисленных выше функций электродное качественное покрытие должно содержать следующие компоненты:
ионизирующие вещества для снижения эффективного потен циала ионизации, что обеспечивает стабильное горение дуги. В ка честве ионизирующих компонентов в покрытия вводят такие вещества, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.;
газообразующие вещества, которые при сварке разлагаются или сгорают, выделяя большое количество газов, создающих в зоне дуги газовую оболочку. Благодаря этой оболочке металл шва предохраняется от воздействия атмосферного кислорода и азота. Такими газообразующими веществами являются крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.;
раскисляющие вещества, которые обладают большим срод ством к кислороду и поэтому восстанавливают металл шва. Раскислителями служат ферросплавы, алюминий, графит и др.;
шлакообразующие вещества, создающие шлаковую защиту расплавленного металла шва, а также капель электродного метал-
218
ла, проходящих через дуговой промежуток. Кроме того, шлаки ак тивно участвуют в металлургических процессах при сварке и спо собствуют получению качественного шва. В качестве шлакообразующих веществ применяют полевой шпат, кварц, мрамор, рутил, марганцевую руду и др.;
легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических качеств. Хорошими легирующими веществами являются ферромарганец, ферросилиций, ферро хром, ферротитан. Реже применяют различные оксиды металлов (меди, хрома и др.);
связующие вещества, предназначенные для замеса всех ком понентов покрытия в виде пасты, а также для связывания пасты на сердечнике электрода и придания определенной прочности после высыхания покрытия. Таким веществом является жидкое стекло. Реже применяется декстрин. По видам покрытия электро ды подразделяют: с кислым покрытием — условное обозначение А;
срутиловым — Р; с целлюлозным — Ц; с основным — Б; с покры тием смешанного типа — двойное обозначение (например, АЦ);
спрочими видами покрытий — П.
Кислые покрытия (АНО-1, СМ-5) содержат руды в виде окси дов железа и марганца. При плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Однако наплавленный металл имеет относи тельно малые вязкость и пластичность, пониженное содержание легирующих примесей.
Рутиловые покрытия (АНО-3, АНО-4, МР-3, ОЗС-4) имеют ос новным компонентом рутил (ТЮ2 — диоксид титана]. Шлакообра- зующими служат рутил, а также полевой шпат, магнезит и др. В качестве раскислителя и легирующего компонента применяют ферромарганец.
Целлюлозные покрытия (ВСЦ-1, ВСЦ-2, ОМА-2) содержат главным образом органические компоненты в качестве газообра зующих и связующих веществ. В качестве раскислителей введены ферромарганец, ферросилиций.
Основные покрытия (УОНИ-13, ДСК-50) составлены на осно ве плавикового шпата (CaF) и мрамора (карбонат кальция СаС03 ). Отсутствие в составе этого покрытия оксидов железа и марганца
219
позволяет широко легировать наплавляемый металл. При сварке можно получить металл шва заранее заданного химического со става с хорошими механическими свойствами. В качестве раскислителей покрытие содержит ферротитан, ферромарганец и фер росилиций.
Составы покрытий приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Составы наиболее распространенных видов электродных покрытий
|
|
|
Содержание, % (по массе) |
|
|
|
Коэффи |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Же |
|
|
Вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
циент |
|
покрытия |
Дву |
Сили |
Руды |
Карбо Плави Ферро |
|
лез |
Орга |
массы |
||
|
окись |
каты |
наты |
ковый сплавы |
ный |
ника |
покры |
|||
|
титана |
|
|
|
шпат |
|
|
поро |
|
тия, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
шок |
|
|
Кислый |
— |
25-35 |
28-35 0 - 15 |
|
20-30 |
|
|
0-5 |
30-60 |
|
Рутиловый 30-50 10-25 |
0 - 5 5-20 |
— |
10-15 |
0-20 |
2 - 8 |
35-50 |
||||
Основной 0 - 10 5-20 |
— |
25-50 |
15-35 5-15 |
|
0-20 |
0 - 2 |
35-50 |
|||
Целлюлоз- 15-30 5-15 |
0 - 5 |
0 - 8 |
— |
10-15 |
|
0-10 25-40 |
15-25 |
|||
ный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рутиловый 10-30 6-12 |
10-15 0 - 10 |
— |
6-12 |
40-60 |
1-3 |
140-180 |
||||
высоко- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
производи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельный |
0-10 |
5- |
— |
5-20 |
6 -15 |
7-12 |
40-60 |
0 - 2 |
120-160 |
|
Основной |
||||||||||
высоко
производи
тельный
Условное обозначение электродов включает марку электрода, диаметр стержня, группу по качеству и номер ГОСТ (рис. 4.4).
Электроды покрытые металлические для сварки и наплавки сталей классифицируют следующим образом.
По назначению:
для сварки углеродистых и низколегированных конструкци онных сталей с временным сопротивлением разрыву до 600 МПа — У (условное обозначение);
для сварки легированных конструкционных сталей с времен ным сопротивлением разрыву более 600 МПа — Л;
для сварки легированных теплоустойчивых сталей — Т;
220
11 12
8 9 10
Рис. 4.4. Условное изображение электродов:
1 — тип; 2 — марка; 3 — диаметр, мм; 4 — обозначение назначения элек тродов; 5 — обозначение толщины покрытия; 6 — группа электродов; 7 — группа индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва по действующим стандартам, 8 — обозначение вида по крытия; 9 — обозначение допустимых пространственных положений сварки и наплавки; 10 — обозначение рода тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания пе ременного тока частотой 50 Гц; 11 — ГОСТ...; 12 — обозначение стандар та на типы электродов
для сварки высоколегированных сталей с особыми свойства ми — В;
для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами — Н. По толщине покрытия в зависимости от отношения диаметра
электрода к диаметру стержня D/d электроды делят: с тонким покрытием — М, D/d < 1,2;
со средним покрытием — С, D/d = 1 , 2 — 1,45; с толстым покрытием — Д, D/d = 1,45 — 1680; с особо толстым — Г, D/d > 1,8.
По допустимым пространственным положениям сварки или наплавки:
для всех положений — 1 ; для всех положений, кроме вертикального сверху вниз — 2;
для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх — 3;
для нижнего и нижнего "в лодочку" — 4.
По роду тока, полярности постоянного тока и номинального напряжения холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц — в соответствии с табл. 4.6.
Условное обозначение должно быть указано на этикетках или в маркировке коробок, пачек и ящиков с электродами.
221
Таблица 4.6
Классификация электродов по роду и полярности тока
Рекомендуемая |
Напряжение холостого хода источ |
|
||
ника переменного тока, В |
|
|||
полярность |
Обозначения |
|||
|
|
|||
|
Предельные |
|||
постоянного тока |
Номинальное |
|
||
|
отклонения |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Обратная |
|
|
0 |
|
Любая |
50 |
+ 5 |
1 |
|
Прямая |
|
|
2 |
|
Обратная |
|
|
3 |
|
Любая |
70 |
±10 |
4 |
|
Прямая |
|
|
5 |
|
Обратная |
|
|
6 |
|
Любая |
90 |
± 5 |
7 |
|
Прямая |
|
|
8 |
|
Обратная |
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
Например:
Э46А-УОНИ 13/45 4-3,0-УД2 Г О С Т9466 - 75 . У432(5)-БЮ
Э46А — тип электрода, 46 — минимальный гарантируемый предел прочности металла, шва, кгс/мм2 (460 МПа); А — наплав ленный металл имеет повышенные пластические свойства;
УОНИ 13/45 — марка электрода; 3,0 — диаметр электрода, мм; У — электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей;
Д2 — с толстым покрытием второй группы; Е 432(5) — группа индексов, указывающих характеристики
наплавленного металла и металла шва; 43 — временное сопротив ление разрыву не менее 460 МПа; 2 — относительное удлинение не менее 22 %; 5 — ударная вязкость не менее 34,3 дм/см2 при тем пературе минус 40 °С;
Б — основное покрытие; 1 — для сварки во всех простран ственных положениях; О — на постоянном токе обратной поляр ности.
222
Широкое распространение получили следующие электроды, назначение которых приводится в табл. 4.6.
Электроды УОНИ-13 дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов из конструкцион ных сталей. Такие электроды выпускаются нескольких марок: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65 и УОНИ-13/85. Цифры после черты означают получаемый предел прочности металла шва (кгс/мм2 ). Сварку можно производить при любом положении шва, но только на постоянном токе обратной полярности. Эти электро ды применяют в заводских и монтажных условиях. Коэффициент наплавки электродов типа УОНИ-13 достигает 9,5 г/(А • ч).
Электрод СМ-11 (тип Э42А) получил широкое распростране ние в строительстве. Применяется при сварке ответственных кон струкций во всех пространственных положениях. Наплавленный металл имеет высокие механические свойства. Коэффициент наплавки электрода СМ-11 достигает 10 г/(А • ч). Важным положи тельным качеством электрода СМ-11 является устойчивость свар ки в условиях монтажа, когда необходимо поддерживать постоян ство длины сварочной дуги. Таким же качеством обладают элект роды марки МР-3, имеющие коэффициент наплавки 9 г/(А • ч). Они предназначены для сварки постоянным и переменным током.
Широкое применение получили электрод марки ОЗС-4 (тип Э46) (коэффициент наплавки 8,5 г/(А • ч)) для сварки ответ ственных металлоконструкций из низкоуглеродистой стали и электрод ОЗС-5 (коэффициент наплавки 11 г/(А • ч)), содержа щий в покрытии железный порошок. Сварка выполняется пере менным и постоянным токами любой полярности во всех про странственных положениях.
^/\ля сварки ответственных конструкций из низкоуглероди стых сталей переменным или постоянным током во всех простран ственных положениях хорошие результаты дают электроды марки АНО-5 (тип Э42), имеющие коэффициент наплавки 11 г/(А • ч), и марки АНО-6 (с коэффициентом наплавки 8,5 г/(А • ч)). При сварке деталей из низкоуглеродистой стали, работающих при динамиче ских нагрузках, применяют электроды марок АНО-3 и АНО-4 (тип Э46) (с коэффициентом наплавки 8 г/(А • ч). Электроды типа АНО характеризуются устойчивым горением дуги, незначительным разбрызгиванием металла, стойкостью против образования кристал лизационных трещин и легкостью отделения шлаковой корки, i
223
Для сварки конструкций из низкоуглеродистых и низколеги рованных сталей с учетом их химического состава рекомендуются марки электродов, приведенные в табл. 4.7.
В качестве примера в табл. 4.8 и 4.9 приведены комбинации сварочных электродов, использованных для ручной дуговой свар ки неповоротных стыков труб из стали класса Х65 и Х670 при строительстве КТК.
|
Таблица 4.7 |
Области применения электродов для сварки |
|
Сталь |
Марка электродов |
Углеродистая |
АНО-4, АНО-6М, ВСЦ-4А, МР-3, |
08, 10, 20, Ст2, СтЗ, СтЗГ |
ОЗС-4, АНО-18, АНО-24, УОНИ-13/45, |
|
УОНИ-13/55, ИТС-4С, ТМУ-21У, ЦУ-5, |
|
ЦУ-7, ЦУ-8, ЦУ-6, ТМУ-46, ТМУ-50 |
Ст4, 15Л, 20Л, 25Л |
УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, ИТС-4С, |
|
ВСЦ-4А, ЦУ-5, ТМУ-21У, ЦУ-7, ЦУ-8, |
|
ТМУ-46, ТМУ-50 |
Низколегированная конструкционная |
ВСЦ-4А, ЦУ-5, УОНИ-13/55, |
15ГС, 16ГС, 17ГС, 14ГН, 16ГН, 09Г2С, |
ТМУ-21У, ЦУ-7, ЦУ-8, ИТС-4С |
10Г2С1, 14ХГС, 20ГСЛ, 17ПС, 17Г1СУ |
|
Таблица 4.8
Сварочные материалы для ручной дуговой сварки стыков труб согласно комбинированному варианту сварки — электроды с целлюлозным видом покрытия + электроды с основным видом покрытия
|
Корневой слой |
Горячий проход |
Заполняющие |
Класс прочности |
и облицовочный |
||
|
|
слой |
|
стали |
|
|
|
|
|
|
|
|
Марка, диаметр электрода |
||
Х65 |
Fleetweld |
Fleetweld |
OK 53,70, Lincoln |
|
5P + Pipweld6010 |
5P + Pipweld7010 |
16РЗ,2-4,0мм |
|
3,2-4,2 мм |
4,0 мм |
|
Х70 |
Fleetweld |
Shield-Arc 80 |
OK 74.70, Lincoln |
|
5P + Pipweld6010 |
Pipeweld7010 |
18РЗ,2-4,0мм |
|
3,2-4,2 мм |
4,0 мм |
|
224