Технология сварки изделий из высокопрочных сталей

Одной из основных задач конструкторов-машиностроителей и технологов-сварщиков является уменьшение массы машины при сохранении ее технико-экономических параметров. Выполнение этой задачи в большой степени связано с применением высокопрочных сталей. Низколегированные стали с пределом текучести 35—40 кгс/мм2 во многих случаях уже не удовлетворяют создателей машин. Поэтому в последнее время расширяется применение низколегированных сталей повышенной и высокой прочности.

Высокопрочные стали характеризуются измельченной структурой при минимальном легировании. Эту структуру и необходимые свойства стали получают путем сочетания определенной композиции легирования и термической обработки. Современные высокопрочные низколегированные термически обработанные стали имеют предел текучести 50—100 кгс/мм2, обладают хорошей свариваемостью, стойкостью против коррозии, абразивного износа и хладостойкостью. Высокие механические свойства высокопрочные стали приобретают после закалки и отпуска.

Высокопрочные низколегированные стали для сварных машиностроительных конструкций должны обладать высокой прочностью, хорошей пластичностью, достаточной ударной вязкостью, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению, хорошей свариваемостью и удовлетворительной обрабатываемостью.

В начале 50-х годов в США была разработана для сварных конструкций термоупрочненная сталь Т-1 с пределом текучести 63 кгс/мм2. Позднее в США было освоено более 20 марок термоупрочненных сталей. Японская металлургическая промышленность изготовила более 30 марок высокопрочных низколегированных сталей с пределом текучести >50 кгс/мм2.

Отечественной промышленностью были разработаны и освоены в производстве несколько марок высокопрочных сталей (14ХМНДФР, 14Х2ГМР и др.), которые получили применение в сварных конструкциях тяжелого машиностроения.

На Уралмашзаводе при внедрении в производство высокопрочных сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР с пределом текучести >60 кгс/мм2 была исследована технология заготовительных операций. Опробовали несколько вариантов кислородной резки: без предварительного подогрева, с подогревом до 250° С и с сопутствующим охлаждением линии реза воздушно-водяной смесью. При правильно выбранном режиме резки все три способа дали чистую поверхность реза. Существенное различие наблюдается в твердости металла зоны термического влияния. Наименьшая твердость получается при резке с предварительным подогревом. Однако большая глубина зоны термического влияния и значительные деформации деталей при этом не позволяют рекомендовать предварительный подогрев. Предпочтение было отдано резке с сопутствующим подогревом. При толщине металла >100 мм предварительный подогрев обязателен.

Подготовку кромок под сварку можно осуществлять как кислородной резкой, так и обработкой резанием. Способ подготовки кромок не влияет существенно на свойства металла шва. Для обработки резанием на продольно-строгальных станках обычный инструмент из быстрорежущей стали Р18 не рекомендуется ввиду его малой стойкости.

Из недефицитного инструмента наиболее целесообразно использовать резцы с твердосплавными напайками типа Т5КЮ и ТТ7К12.

При исследовании технологии гибки этих сталей в холодном состоянии установлено, что глубокие риски, надрезы, маркировка, выполненная способом ударного клеймения, могут вызвать разрушение детали даже при больших радиусах изгиба. Для предотвращения образования трещин при гибке кромки деталей после кислородной резки должны быть зачищены наждаком или подвергнуты строжке.

Возможность применения той или иной марки высокопрочной стали в сварных конструкциях машин зависит от способности сталей свариваться. Как правило, высокопрочные стали свариваются удовлетворительно благодаря низкому содержанию углерода и небольшому количеству легирующих компонентов. Исследования свариваемости высокопрочных сталей сводятся к определению оптимальных условий сварки, исключающих появление трещин и обеспечивающих требуемую пластичность, прочность и хладостойкость в околошовной зоне.

Как и для обычных сталей, свариваемость высокопрочной стали в первом приближении определяют по эквивалентному углероду (Сэкв). Стали, у которых Сэкв >0,25%, относятся к группе свариваемых без всяких ограничений. При СЭкв <0,25% необходимо проводить исследования для определения оптимальных условий сварки.

ИЭС им. Е. О. Патона (проф. Б. С. Касаткин и др.) совместно с заводами тяжелого машиностроения проводит разработку промышленной технологии сварки высокопрочных сталей.

Получение сварного соединения со свойствами, равными или близкими к свойствам основного металла, зависит от выбора сварочных материалов, режимов и технологии сварки высокопрочных сталей. Технология сварки этих сталей несколько отличается от

технологии сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Практика показала, что в сварных конструкциях необходимо максимально применять V- и U-образные разделки кромок. Стыковые швы должны иметь полный провар, а зазоры в соединениях точно выдерживаться. Поверхность углового шва должна иметь плавное сопряжение с основным металлом. Основными дефектами при сварке высокопрочных сталей являются трещины. Исследователи и производственники разработали некоторые методы предотвращения их образования при производстве сварочных работ: предварительный и сопутствующий подогрев, многослойная сварка, замедленное охлаждение сварного соединения после сварки.

Температуру предварительного подогрева устанавливают в зависимости от свариваемости стали, ее толщины, способа сварки.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке высокопрочных сталей применяют технологию сварки с «мягкими прослойками». При этом методе первые слои многослойного шва выполняют менее прочным и более пластичным материалом по сравнению с последующими слоями. При сварке сталей 14ХМНДФР и 14Х2ГМР для выполнения мягких слоев рекомендуется сварочная проволока Св-08Г2С.

Ручную дуговую сварку высокопрочных сталей выполняют низководородными электродами АНП-2, позволяющими вести сварку во всех пространственных положениях. Для сварки под флюсом стали 14Х2ГМР применяют сварочную проволоку Св-08ХН2Г2СМЮ и флюс АН-17М. При сварке высокопрочных сталей в углекислом газе используют проволоку Св-08Х Н2Г2СМЮ и 14Х2ГМР с «мягкими» прослойками СВ-ЮХГ2СМА. При сварке целесообразно применять смесь углекислого газа с кислородом (80% С02 + 20% 02), которая обеспечивает высокие механические свойства металла шва и низкое содержание в нем водорода.

Особое внимание уделяется снижению остаточных напряжений в сварных соединениях из высокопрочной стали. На остаточные напряжения в многослойных сварных соединениях из стали 14Х2ГМР большое влияние оказывает температура предварительного подогрева. Уралмашзаводом была проведена специальная работа по определению температуры предварительного подогрева и температуры отпуска, по результатам которой сделаны следующие выводы:

при подогреве до 200° С напряжения понижаются на 25%, т. е. так же, как при отпуске при температуре 500° С;

наибольший эффект устранения остаточных напряжений дает высокотемпературный отпуск; при температуре отпуска 600° С напряжения снижаются на 80%;

понижение температуры отпуска резко уменьшает релаксацию напряжений; отпуск при температуре нагрева 400° С понижает сварочные напряжения только на 13%.

Применение высокопрочных сталей позволяют уменьшить массу сварной конструкции на 30—40% и снизить их себестоимость на 15—20% по сравнению с использованием низкоуглеродистой стали.

Исследования и практика показали, что для создания сварных изделий из высокопрочных сталей требуются новые конструктивные решения. Поскольку высокопрочные стали имеют повышенную чувствительность к концентрации напряжений, при конструировании сварного узла необходимо избегать резких изменений сечений, вырезов с малыми закруглениями, прерывистых швов, непроваров. Нежелательны нахлесточные соединения и предпочтительны стыковые соединения с полным проваром. Необходимо стремиться к минимальному количеству наплавленного металла.

С целью повышения предела выносливости сварных соединений из высокопрочных сталей необходимо удалять усиление стыковых швов. ИЭС им. Е. О. Патона разработал оригинальный способ повышения предела выносливости сварного соединения. Он заключается в оплавлении границ шва для получения плавного перехода от шва к основному металлу. Оплавление производится электрической дугой неплавящимся электродом в аргоне без присадочной проволоки.

При сварке высокопрочных сталей трещины в сварных швах не допускаются, после окончания сварки все временные прокладки удаляют и места прихваток тщательно зачищают, сварные швы преимущественно выполняют в нижнем положении, а начало сварки обязательно переплавляют следующим валиком.

Экономическая эффективность применения высокопрочных сталей по сравнению с низкоуглеродистыми и низколегированными достигается в результате снижения массы конструкций, увеличения их долговечности, уменьшения массы машины и повышения удельной производительности машины на единицу массы. По расчетам Уралмашзавода применение сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР взамен стали ЮХСНД в тяжело нагруженных узлах горных машин и механизмов обеспечивает снижение их массы на 20—40%.

В условиях Крайнего Севера, Сибири и Урала эксплуатация машин с применением высокопрочных сталей может дать большой экономический эффект! Для сравнительных испытаний Уралмаш- заводом совместно с ИЭС им. Е. О. Патона было изготовлено 24 балки рукоятки экскаватора ЭКГ-4,6Б из сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР. Испытания в условиях Крайнего Севера показали увеличение срока службы их более чем в 2 раза. Использование в этих районах конструкций из высокопрочных сталей позволяет резко сократить простои машин и механизмов. Повышается производительность и снижается себестоимость работ, сокращается потребность в запасных частях. Учитывая дальнейшее преимущественное развитие производительных сил Крайнего Севера и Сибири, необходимо максимально применять эти стали в машинах, работающих в таких экономических районах.

Уралмашзаводом совместно с ИЭС им. Е. О Патона проделана работа по повышению срока эксплуатации самобалансных грохотов агломерационных и обжиговых машин. Колосниковую решетку грохота ранее изготовляли из низколегированной стали ЮХСНД. Срок службы решетки из этой стали в условиях Качканарского горнообогатительного комбината составлял 17 суток. Замена материала решетки на сталь 14Х2ГМР увеличила срок службы до 32 суток, а из стали 14ХМНДФР — до 52 суток, т. е. стойкость повышается в 2—3 раза. Кроме того, значительно сокращаются затраты на ремонт решеток.

При применении решеток из высокопрочных сталей сокращается расход металлопроката, сварочных материалов, электроэнергии. Например, расход стали ЮХСНД для этой цели составлял ~ 175 т в год, при применении стали 14Х2ГМР он равен 96 т, а стали 14ХМНДФР ~57 т. Так же резко уменьшается расход сварочных материалов и электроэнергии.

Ремонт тяжелонагруженных металлоконструкций карьерных экскаваторов ЭКГ-4,6Б, таких как балки рукояти, стрелы, ковши и др., вызывает значительные расходы и простои экскаваторов. Повышение надежности и долговечности этих конструкций обеспечивает значительную экономию. Срок службы балки рукояти из стали 10ХСНД обычно полтора года. Использование высокопрочных сталей 14Х2ГМР и 14ХМНДФР позволило повысить износостойкость этих балок. Например, в условиях карьеров г. Асбеста стойкость таких сварных конструкций увеличилась в 2 раза. Снизились затраты на эксплуатацию этих балок в 2 раза.

Использование в карьерном экскаваторе более надежных и долговечных сварных конструкций из стали 14Х2ГМР значительно снижает расходы по содержанию и эксплуатации оборудования, амортизационные отчисления и уменьшает себестоимость экскавации на 14,4%.

Использование балок рукояти из высокопрочных сталей обеспечивает рост объема экскавации. Благодаря сокращению простоя экскаватора при замене балки рукояти дополнительный объем горной массы на 10 экскаваторов составляет 420—450 тыс. т.

Практика эксплуатации сварных конструкций и механизмов из высокопрочной и низколегированной стали показывает, что экономически целесообразнее использовать дорогую качественную сталь, но зато значительно повысить надежность и долговечность конструкции. В тяжелом машиностроении наибольший опыт по изготовлению сварных узлов из высокопрочной стали накопил Уралмашзавод. Этим заводом совместно с ИЭС им. Е. О. Патона разработана и осуществлена на практике технология изготовления ответственных узлов машин, и в первую очередь горных.

Рукоять ковша экскаватора ЭКГ-4,6Б состоит из двух спаренных балок. Каждая балка представляет собой сварную конструкцию коробчатого сечения размером 180x500 мм и длиной 7000 мм (толщина боковых листов 30 мм, верхнего и нижнего — 40 мм).

С целью повышения надежности и долговечности балок ИЭС им. Е. О. Патона и Уралмашзаводом исследована и отработана технология изготовления балок из высокопрочной стали 14Х2ГМР взамен стали 10ХСНД. Использование стали 14Х2ГМР потребовало разработки оптимальной конструкции сварных соединений, рациональной технологии сборки и сварки балок с учетом особенностей этой стали.

В балках, изготовляемых из стали 10ХСНД, обычно делают замковые соединения со скосом двух кромок. Не проваренный участок замкового соединения является концентратором напряжений и способствует образованию трещин в корне шва как в процессе изготовления, так и при эксплуатации.

Кромки под сварку подвергали механической строжке. Притупление в корне разделки не превышало 1 мм, зазор 2—3 мм. Несоблюдение этих условий приводило к не- проварам в корне шва. Прихватки и корневые швы выполняли с равномерным полным проваром полуавтоматической сваркой в углекислом газе проволокой Св-08Г2С, при этом осуществляли местный предварительный подогрев кромок до 120—150° С. Высота сечения корневого шва составляла 6—8 мм. Высокая пластичность металла в корне шва и предварительный подогрев обеспечивают достаточную стойкость сварных соединений против образования трещин.

Соединения сваривались автоматической сваркой под флюсом с предварительным подогревом до 150° С. Уралмашзаводом спроектирована установка, позволяющая при сварке балки кантовать ее на 180°, не прекращая подогрева. Установка состоит из кантователя для поворота свариваемого узла и газовых горелок трубчатой конструкции.

Кантователь выполнен в виде ролико-опор, на которые опираются разъемные барабаны, несущие свариваемую балку. У роликоопор приводные ролики с рифленой поверхностью соединены между собой валом, а ролики являются поддерживающими неприводными.

Привод кантователя ручной. Вращение от ручки передается через зубчатую передачу валу, соединенному муфтой с валом. Для фиксирования нужного положения узла при сварке к стойке привода прикреплена откидная защелка, входящая между зубьями верхней шестерни привода. Газовая горелка изготовлена из трубы длиной, равной длине обогреваемой балки. В стенках трубы просверлен ряд отверстий по всей длине трубы для выхода горючего газа. На балку устанавливают четыре одновременно работающие горелки — две сверху и две снизу.

Работа ведется следующим образом. На роли- коопоры устанавливают половины барабанов, затем в их вырезы закладывают две горелки и стойки, назначение которых поддерживать горелки в то время, когда они окажутся в верхнем положении. Далее устанавливают свариваемую балку и на нее ставят стойки с верхними горелками. Затем зажигают горелки и нагревают балку до нужной температуры и, не прекращая нагрева, делают первый проход. Перед поворотом балки на 180° устанавливают сверху вторые половины барабанов. Верхнюю и нижнюю половины барабанов соединяют между собой планками, фиксируют штырями и закрепляют клиньями. После этого балка легко поворачивается на 180° для сварки швов на противоположной стороне. После поворота верхние половины барабанов снимают, а верхние подогревающие горелки остаются на месте. Установка готова для сварки следующих швов. Газовые горелки соединяют с питающим их коллектором гибкими шлангами, длина которых позволяет кантовать балку в нужное положение, не прекращая подогрева.

Для сварки рукоятки применяли разработанные ИЭС им. Е. О. Патона и прошедшие опытно-промышленную проверку на Уралмашзаводе низкокремнистый окислительный флюс АН-17М и проволоку Св-10ХГСН2МЮ. 

ИЭС им. Е. О. Патона совместно с Уралмашзаводом также были проведены работы по освоению технологии и промышленному внедрению высокопрочной стали 14Х2ГМР для корпуса стрелы карьерного экскаватора ЭКГ-4,6Б. Корпус стрелы — один из самых нагруженных узлов. Он представляет собой цельносварную балку коробчатой формы с переменным по высоте сечением размером 810X (710^-910) мм длиной 11 м из листа толщиной 12—20 мм. Внутри балки расположены диафрагмы из листа толщиной 12 мм. Корпуса стрел экскаватора изготовляли из низколегированной стали 09Г2С и сваривали полуавтоматической сваркой в углекислом газе.

При сборке корпусов стрел из стали 14Х2ГМР тщательно соблюдали требуемые размеры соединений. Притупление кромок в основании разделки стыковых соединений не превышало 1,5 мм, зазор 2—3 мм. Прихватку и сварку корня шва выполняли в углекислом газе проволокой Св-08Г2С диаметром 1,6 мм, обеспечивающей достаточную пластичность наплавленного металла. При этом для стыковых соединений толщиной 20 мм применяли предварительный подогрев кромок до 100° С. Высота корневой части шва составляла 6—8 мм.

Сварку стыковых и угловых соединений выполняли проволокой Св-10ХГСН2МЮ диаметром 1,6 мм, которая обеспечивает требуемые свойства сварных соединений из стали 14Х2ГМР. В частности, металл шва стыковых соединений толщиной 20 мм после сварки имел ав = 88 кгс/мм2 и ат = 78,3 кгс/мм2. Полуавтоматическую сварку проволокой Св-10ХГСН2МЮ выполняли на режиме: / = 350-7-370 A, U = 28-г-ЗО В. Для стыковых соединений при толщине листа 20 мм применяли предварительный подогрев кромок до 100° С.

В процессе освоения технологии сварки в углекислом газе стрелы из стали 14Х2ГМР изучали на практике особенность сварки этой стали в защитной смеси углекислого газа с кислородом. Установлено, что одним из важных преимуществ этой газовой смеси является возможность получения наплавленного металла с достаточно низким содержанием водорода. При этом, как известно, создаются более благоприятные условия для предотвращения трещин в сварных соединениях высокопрочных сталей. Сварку проводили в смеси: 80% СОа + 20% 02 проволокой Св-10ХГСН2МЮ диаметром 1,6 мм на том же режиме, что и сварку в углекислом газе. Механические свойства металла шва удовлетворяют требованиям, предъявленным к сварным соединениям стали 14Х2ГМР. По сравнению со сваркой в углекислом газе при использовании смеси несколько повышается коэффициент наплавки и уменьшается разбрызгивание, увеличивается провар и улучшается форма валика.

Накопленный опыт изготовления сварных узлов из высокопрочной стали для тяжелонагруженных узлов горных машин и положительный результат их эксплуатации позволил Урал-машзаводу применить эти стали на ответственных узлах уникальных шагающих экскаваторов-драглайнов.

Ковш емкостью 15 м3 шагающего экскаватора ЭШ-15/90 представляет собой крупногабаритную и сложную комбинированную сварную конструкцию. В конструкции ковша применен лист из стали 10ХСНД. Литые козырьки и щеки ковша, наиболее подвергающиеся абразивному износу, изготовлены из литой марганцовистой стали. Масса ковша 16 т, наплавленного металла — —0,6 т. В связи с изготовлением ковша экскаватора-драглайна емкостью 100 м3 и необходимостью увеличения срока службы ковшей емкостью 15 м3 Уралмашзаводом впервые в отечественной практике были изготовлены ковши для экскаватора ЭШ-15/90 из высокопрочной стали. В конструкции ковша был применен лист толщиной 12—40 мм из стали 14Х2ГМР и литые детали из этой стали толщиной до 100 мм. Козырек, днища и щеки ковша изготовляли из отливок высокопрочной стали.

Ковши собирали и сваривали с учетом особенностей высокопрочных сталей. При сборке тщательно соблюдали требуемые размеры соединений. Притупление кромок в корне разделки стыковых соединений не превышало 1,5 мм, зазор 2—3 мм. Для соединений толщиной >20 мм применяли предварительный подогрев кромок до 120—150° С. Высота корня шва составляла 6—8 мм. Сварку проводили электродами АНП-1 (АНВ-70), которые обеспечивают требуемые свойства сварных соединений стали 14Х2ГМР. Для металла толщиной >20 мм как при сварке, так и при прихватке применяли предварительный подогрев кромок металла до 150° С.

Перед сваркой электроды подвергали обязательной двухчасовой прокалке в электропечах при температуре 420—450° С. Это гарантировало сравнительно низкое содержание водорода в наплавленном металле. Электроды АНП-1 обеспечивали хорошее формирование металла шва и достаточную производительность сварки. Коэффициент наплавки электродов равен 10,5 г/(А«ч). При контроле гамма-лучами в сварных соединениях ковша не обнаружено трещин и шлаковых включений.

Благодаря использованию высокопрочной стали масса ковша уменьшилась на 1,5—2 т по сравнению с серийным ковшом из стали ЮХСНД. Ковши крупнейшего экскаватора ЭШ-100/100 (емкость ковша 100 м3 и длина стрелы 100 м) также были изготовлены из высокопрочной стали. Накопленный на Урал-машзаводе опыт по производству сварных узлов для горных машин из высокопрочной стали позволил применить эти стали в больших объемах при изготовлении и других наиболее ответственных узлов шагающего экскаватора ЭШ-100/100. Кроме описанных выше ковшей для этой машины были изготовлены уникальные по своим размерам и массе тяжелонагруженные башмаки и другие сварные узлы.

В промышленности успешно эксплуатируются драги (250 л) со сварными сваями из стали 14Х2ГМР, изготовленными ИЗТМ имени В. В. Куйбышева. Свая — коробчатая балка сечением 715 X 1200 мм, длиной 18 м, толщина поясов 36 мм, толщина стенок 16 мм. Применение стали 14Х2ГМР взамен стали 09Г2С снижает массу сваи с 18,7 до 13,5 т. Из стали 14Х2ГМР толщиной 40— 50 мм изготовлены также сваи для драги емкостью черпака 600 л.

Несмотря на имеющиеся трудности с производством высокопрочных сталей на металлургических заводах и с освоением технологии производства сварных конструкций, область применения этих сталей непрерывно расширяется. Задача исследователей, технологов и производственников — изыскать наиболее технологичные решения производства сварных конструкций из этих сталей.