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


Примечание	от автора: Самая моя лучшая работа. Единственное, что я сделал стоящего в универе за шесть лет обучения. Правда, форматирование подкачало - не знал тогда еще Word. Не обессудьте
	Загрузить архив:
	Файл: ref-23342.zip (1251kb [zip], Скачиваний: 486) скачать

Министерство образования Российской Федерации

Ростовский государственный строительный университет

Институт промышленного и гражданского строительства

Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования

Голушко Максим Борисович

Магистерская диссертация по направлению
«Строительство»

«АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ»

Научный руководитель____________________________Мещеряков В.М.

Научный консультант_______________________________Резников В.И.

Рецензент____________________________________________

г. Ростов-на-Дону

2002 г

Министерство образования Российской Федерации

Ростовский государственный строительный университет

МАГИСТРАТУРА

Утверждаю ____________________

Зав. Кафедрой __________________

1. Индивидуальный план работы студента Голушко М.Б.

2. Институт промышленного и гражданского строительства_________________

3. Кафедра промышленного транспорта и механического оборудования_______

4. Научный руководитель: Мещеряков В.М.

5. Период обучения в магистратуре: два года______________________________

6. Наименование профессионально-образовательной программы (специализации): 550100 «Строительство»

7. Тема магистерской диссертации: «Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов».

8. Срок представления студентом диссертации _______ июня 2002 г.________

9. Срок сдачи государственного экзамена по направлению ___25 июня 2002 г.__

10. Содержание ОПП_______________________________________________

№№ п/п	Наименование дисциплин, практик	Кол-во аудитор-ных часов	Формы аттеста-ции	Планир. срок аттест.	Отметки рук. о выполнении ат. (оценки, даты)
1	2	3	4	5	6
1	Современные проблемы строительной науки, техники и технологии	18	зачет	12.01.02	зачтено 12.01.02
2	История и методология строительной науки	19	зачет	6.06.01	зачтено 6.06.01
3	Компьютерные технологии в строительной науке и образовании	38	зачет	26.05.01	зачтено 26.05.01
4	Методология научного творчества	18	зачет	22.12.00	зачтено 22.12.00
5	Философские вопросы технических наук	19	зачет	7.06.01	зачтено 7.06.01
6	Научные проблемы экономики строительства	18	зачет	28.12.00	зачтено 28.12.00
1	2	3	4	5	6
7	Аналитические и численные методы решения уравнений математической физики	36	зачет	28.12.00	зачтено 28.12.00
8	Менеджмент	54	зачет	29.12.00	зачтено 29.12.00
9	Маркетинг	57	экзамен	16.01.01	отлично 16.01.01
10	Современные методы проектирования и строительства системы и объектов электрохимической защиты магистральных трубопроводов	51	экзамен	12.01.01	отлично 12.01.01
11	Оптимальные методы тех. эксплуатации парка машин и механизмов для строительства магистральных трубопроводов	51	экзамен	27.06.01	отлично 27.06.01
12	Методы оценки прочности магистральных трубопроводов	34	зачет	5.06.01	зачтено 5.06.01
13	Современные информационные технологии в строительстве магистральных трубопроводов	34	зачет	26.12.00	зачтено 26.12.00
14	САПР строительства магистральных трубопроводов	54	зачтено	23.01.02	зачтено 23.01.02
15	Прогрессивные технологии изготовления труб и сварки магистральных трубопроводов	51	экзамен	22.06.01	отлично 22.06.01

Подпись студента _____________________________________

Подпись научного руководителя___________________________

Оглавление. PAGEREF _Toc12655187 h 4

Введение. PAGEREF _Toc12655188 h 7

1.Элементы теории сварочных процессов. PAGEREF _Toc12655189 h 11

1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений. PAGEREF _Toc12655190 h 11

1.1.1 Понятие сварки. PAGEREF _Toc12655191 h 11

1.1.2 Механизм образования монолитного соединения. PAGEREF _Toc12655192 h 11

1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением PAGEREF _Toc12655193 h 13

1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением. PAGEREF _Toc12655194 h 14

1.2 Классификация сварочных процессов. PAGEREF _Toc12655195 h 16

1.2.1 Признаки классификации. PAGEREF _Toc12655196 h 16

1.2.2 Классификация сварочных процессов по физическим признакам PAGEREF _Toc12655197 h 17

1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов PAGEREF _Toc12655198 h 18

1.2.3.1 Сущность метода ручной дуговой сварки. PAGEREF _Toc12655199 h 19

1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса. PAGEREF _Toc12655200 h 20

1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов. PAGEREF _Toc12655201 h 21

1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительным формированием шва. PAGEREF _Toc12655202 h 22

1.2.3.5 Электроконтактная сварка оплавлением. PAGEREF _Toc12655203 h 23

1.3 Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом. PAGEREF _Toc12655204 h 24

1.3.1 Физика сварочной дуги. PAGEREF _Toc12655205 h 24

1.3.1.1 Природа, строение и область существования сварочной дуги PAGEREF _Toc12655206 h 24

1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика PAGEREF _Toc12655207 h 25

1.3.1.3 Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы в дуге. PAGEREF _Toc12655208 h 27

1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации. PAGEREF _Toc12655209 h 30

1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги PAGEREF _Toc12655210 h 31

1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда. PAGEREF _Toc12655211 h 33

1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии. PAGEREF _Toc12655212 h 33

1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных областях. PAGEREF _Toc12655213 h 34

1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных зон. PAGEREF _Toc12655214 h 35

1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги. PAGEREF _Toc12655215 h 37

1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в дуге. PAGEREF _Toc12655216 h 37

1.3.1.7.2 Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс. PAGEREF _Toc12655217 h 38

1.3.1.7.3 Влияние на дугу внешнего магнитного поля. PAGEREF _Toc12655218 h 39

1.3.1.8 Перенос металла в сварочной дуге. PAGEREF _Toc12655219 h 41

1.3.1.9 Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом PAGEREF _Toc12655220 h 43

1.3.2 Металлургические процессы при сварке. PAGEREF _Toc12655221 h 44

1.3.2.1 Процессы окисления металла шва. PAGEREF _Toc12655222 h 44

1.3.2.2 Раскисление металла сварочной ванны.. PAGEREF _Toc12655223 h 46

1.3.2.3 Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы PAGEREF _Toc12655224 h 47

1.3.2.4 Покрытие электродов, его компоненты и их функции. PAGEREF _Toc12655225 h 48

1.3.2.5 Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами PAGEREF _Toc12655226 h 49

1.3.2.6 Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытием основного и целлюлозного вида. PAGEREF _Toc12655227 h 50

1.3.2.7 Способы легирования металла шва. PAGEREF _Toc12655228 h 51

1.3.2.8 Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва PAGEREF _Toc12655229 h 52

1.3.3 Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке PAGEREF _Toc12655230 h 54

1.3.3.1 Термодеформационные процессы при сварке. PAGEREF _Toc12655231 h 55

1.3.3.1.1 Понятие о сварочных деформациях и напряжениях. PAGEREF _Toc12655232 h 55

1.3.3.1.2 Методы определения остаточных деформаций и напряжений PAGEREF _Toc12655233 h 58

1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов. PAGEREF _Toc12655234 h 59

1.3.3.2 Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва. PAGEREF _Toc12655235 h 60

1.3.3.2.1 Понятие свариваемости. PAGEREF _Toc12655236 h 60

1.3.3.2.2 Общие положения теории кристаллизации. PAGEREF _Toc12655237 h 62

1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва. PAGEREF _Toc12655238 h 67

1.3.3.2.4 Химическая неоднородность сварного соединения и ее виды PAGEREF _Toc12655239 h 68

1.3.3.2.5 Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке. PAGEREF _Toc12655240 h 71

1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке. PAGEREF _Toc12655241 h 73

1.3.3.3 Превращения в металлах при сварке. PAGEREF _Toc12655242 h 78

1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных соединений. PAGEREF _Toc12655243 h 78

1.3.3.3.2 Виды превращений в металле сварных соединений. PAGEREF _Toc12655244 h 80

1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика диффузионного превращения PAGEREF _Toc12655245 h 80

1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного превращения. PAGEREF _Toc12655246 h 83

1.3.3.3.3 Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве. PAGEREF _Toc12655247 h 84

1.3.3.3.4 Превращения в шве и основном металле при охлаждении PAGEREF _Toc12655248 h 88

1.3.3.3.5 Способы регулирования структуры сварных соединений PAGEREF _Toc12655249 h 92

1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке. PAGEREF _Toc12655250 h 93

2 Особенности технологии ручной дуговой сварки неповоротных стыков PAGEREF _Toc12655251 h 97

2.1 Сварочные электроды.. PAGEREF _Toc12655252 h 97

2.1.1 Классификация сварочных электродов. PAGEREF _Toc12655253 h 97

2.1.2 Условное обозначение сварочных электродов. PAGEREF _Toc12655254 h 99

2.1.3 Краткая характеристика материалов покрытия и стержня электродов PAGEREF _Toc12655255 h 100

2.2 Сварные соединения и швы.. PAGEREF _Toc12655256 h 103

2.2.1 Сварные соединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики. PAGEREF _Toc12655257 h 103

2.2.2 Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев PAGEREF _Toc12655258 h 105

2.3 Этапы разработки технологии РДС.. PAGEREF _Toc12655259 h 109

2.3.1 Подготовка кромок труб. PAGEREF _Toc12655260 h 109

2.3.2 Выбор электродов. PAGEREF _Toc12655261 h 110

2.3.3 Сварочный ток. PAGEREF _Toc12655262 h 112

2.3.4 Выбор конструкции шва. PAGEREF _Toc12655263 h 114

2.3.5 Определение скорости сварки. PAGEREF _Toc12655264 h 116

2.4 Подготовительные операции. PAGEREF _Toc12655265 h 117

2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб. PAGEREF _Toc12655266 h 117

2.4.2 Сборка стыка. PAGEREF _Toc12655267 h 118

2.4.3 Предварительный подогрев. PAGEREF _Toc12655268 h 121

2.5 Схемы и методы производства сварочно-монтажных работ. PAGEREF _Toc12655269 h 124

2.6 Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали PAGEREF _Toc12655270 h 127

2.6.1 Сварка трубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности PAGEREF _Toc12655271 h 127

2.6.2 Сварка термически уплотненных сталей. PAGEREF _Toc12655272 h 128

3 Патентные изыскания. PAGEREF _Toc12655273 h 130

Заключение. PAGEREF _Toc12655274 h 132

Список литературы.. PAGEREF _Toc12655275 h 136

Приложения. PAGEREF _Toc12655276 h 139

Введение

На сегодняшний день нефть и газ являются важнейшим товаром России на мировом рынке. Доходы от их продажи составляют весьма значительную часть (до 30% – по заявлениям премьер-министра России, хотя на самом деле эта цифра очевидно больше) бюджета государства. Кроме того, они являются важнейшим сырьем для многих отраслей экономики самой России, в том числе, топливно-энергетического комплекса. Поэтому главнейшими для нефтегазовой отрасли и всей страны в целом являются вопросы эффективной добычи и транспортировки полезных ископаемых к потребителю (или покупателю).

Географически районы добычи и потребления нефти и газа разделены значительными расстояниями, поскольку основные запасы полезных ископаемых сосредоточены на Севере и на Востоке, а главными их потребителями являются центральные и западные регионы. В связи с этим, одной из наиболее существенных является проблема транспортировки нефти и газа. Безусловным лидером среди различных способов доставки является трубопроводный транспорт.

Применение его для передачи нефти и газа на большие расстояния было предложено еще во второй половине XIX века – в самом начале эры промышленного использования этих полезных ископаемых. Первые трубопроводы предназначались для транспортировки продукта от промысла к пункту сбора (т.е. были промысловыми). К 1890 году в районе Баку эксплуатировалось около 40 подобных трубопроводов общей протяженностью 300км. Первый магистральный трубопровод (т.е. трубопровод, предназначенный для передачи продукта от места добычи к месту потребления) был построен в 1896-1906гг. Это был керосинопровод Баку-Батуми длиной 883км, диаметром 203мм с соединением труб на винтовых муфтах.

С того времени и материалы, и способы изготовления трубопроводов значительно эволюционировали. Изменилось и значение их для экономики страны. В настоящее время трубопроводный транспорт – основной способ доставки нефти и газа из мест добычи к местам потребления. Обусловлено это целым рядом его преимуществ перед другими видами транспорта:

1)высокая экономическая эффективность применения трубопроводов. При больших объемах транспортируемого продукта (а именно этим отличаются современные нефте- и газодобывающая отрасль) затраты на перекачку единицы объема этого продукта по трубопроводу (удельные затраты) значительно меньше затрат на пересылку той же единицы объема автомобильным или железнодорожным транспортом.

2)высокая производительность. Трубопровод способен доставить гораздо большее количество продукта чем любой другой вид транспорта за то же время.

3)минимум потерь продукта при транспортировке.

4)быстрота сооружения трубопроводов. При одинаковых затратах время на строительство ветки трубопровода значительно меньше времени, необходимого для строительства авто- , а тем более, железной дороги.

5)земли, необходимые для строительства, после окончания этого строительства могут снова использоваться.

И это неполный список всех преимуществ трубопроводов транспорта перед остальными видами транспорта. Совокупность этих достоинств и обеспечили лидирующие позиции трубопроводного транспорта в вопросе передачи нефти и газа на большие расстояния. В этих условиях целесообразно рассмотрение проблемы качества сооружения магистральных трубопроводов как фактора, во многом определяющего последующую надежность их функционирования, от которой в значительной степени зависит благосостояние страны в целом

Проблема качества сооружения магистральных трубопроводов автоматически распадается на более мелкие, поскольку качество сооружения всего трубопровода в целом зависит от качества отдельных видов работ, выполняемых при строительстве: подготовительных, земляных, сварочно-монтажных, изоляционно-укладочных, испытаний. Важнейшим процессом, значительным образом влияющим на эксплуатационные характеристики будущего сооружения, являются сварочно-монтажные работы. Сварка на сегодняшний день является единственным способом соединения отдельных труб в секции (укрупнительная сварка поворотных стыков) и в непрерывную нитку (сварка неповоротных стыков). Самым распространенным в трубопроводном строительстве России по сравнению с другими методами сварки неповоротных стыков все еще остается ручная (электро)дуговая сварка (РДС) толстопокрытым электродом. Обусловлено такое положение дел несколькими причинами. Во-первых, это достоинства РДС:

1)универсальность метода. РДС подходит для сварки всех видов соединений магистральных трубопроводов (МТ). Более того, некоторые виды сварочных работ, согласно действующим нормам, требуют только ручной дуговой сварки (так называемые специальные сварочные работы).

2)отсутствие необходимости применения сложной высокотехнологичной техники и высококвалифицированного персонала для ее обслуживания, что необходимо для большинства методов автоматической сварки.

3)дешевизна метода (это особенно характерно для России, где отношение затрат на рабочую силу к общим затратам на строительство на порядок ниже того же показателя в развитых странах).

Во-вторых, следует упомянуть условия и события характерные для нашей страны с конца восьмидесятых годов и до наших дней:

1)развал СССР и экономический кризис, приведшие в упадок всю строительную индустрию, в том числе, и строительство магистральных трубопроводов. Одним из результатов этих процессов стало ухудшение материально-технической базы строительства. В качестве примера можно привести ситуацию с установками для автоматической электроконтактной сварки оплавлением неповоротных стыков труб больших диаметров «Север». Эти установки успешно применялись в строительстве, так как обеспечивали высокое качество сварки, большую производительность и полную автоматизацию сварочных работ. В настоящее время все они находятся в состоянии, непригодном для эксплуатации, а их восстановление или строительство новых экономически неоправданно.

2)временное отсутствие необходимости применения методов сварки, обеспечивающих большую производительность. Связано это, опять-таки, с экономическим положением в стране. Потребность в бόльших размерах строительства существует, но пока на реализацию этих планов средств нет. Ручная дуговая сварка вполне способна обеспечить выполнение тех небольших объемов работ, заказы на которые возникают в настоящее время. Соответсвенно нет смысла в неоправданном использовании дорогостоящих автоматических методов, неспособном окупить себя.

3)общее техническое и технологическое отставание России от развитых стран, в которых применение автоматических методов сварки обусловлено как высоким уровнем культуры строительства (чего эти методы требуют), так и гораздо лучшей материально-технической обеспеченностью процесса строительства.

Таким образом, в условиях строительства магистральных трубопроводов, характерных для сегодняшнего положения экономики России, ручная дуговая сварка несмотря на кажущийся архаизм, является оптимальным выбором. В отличие от других, автоматических методов сварки неповоротных стыков, она не требует столь значительных капитальных вложений. Технология РДС является сравнительно простой и хорошо освоенной и позволяет получать сварные соединения, вполне удовлетворяющие тем жестким требованиям, которые предъявляются к стыкам магистральных трубопроводов.

Все вышеперечисленные факторы обуславливают столь широкое применение ручной дуговой сварки при сооружении магистральных трубопроводов, даже учитывая то обстоятельство, что метод не является прогрессивным. Не вызывает сомнения тот факт, что с развитием экономики России в строительстве магистральных трубопроводов широкое распространение получат автоматические методы сварки. Но это вопрос не столь отдаленного, но все же будущего. А в настоящее время ручная дуговая сварка остается наиболее используемым методом сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Значит, существует объективная необходимость максимального усовершенствования технологии, которая сегодня все еще удовлетворяет основному требованию экономики строительства – построить в кратчайшие сроки с необходимым качеством за минимальную цену.

В этой работе сделана попытка проанализировать физические основы и технологию ручной дуговой сварки, систематизировать рассредоточенные по различным источникам данные о схемах и принципах организации производства работ при использовании этого метода, сравнить теоретический материал с практическим, полученным за время работы на строительстве (производственной практики) трех различных трубопроводоводных систем, а также постараться дать рекомендации по возможному усовершенствованию технологии, выводы о целесообразности и перспективах дальнейшего применения ручной дуговой сварки при сооружении объектов магистрального транспорта нефти и газа.

1.Элементы теории сварочных процессов

1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений

1.1.1 Понятие сварки

В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения, в свою очередь, могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием. Сварку и пайку в настоящее время используют для соединения между собой металлов и неметаллов. Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного монолитного соединения материалов путем введения и термодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в месте соединения. Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочного термического цикла. Сварным швом называют участок сварного соединения, образовавшийся в процессе кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

1.1.2 Механизм образования монолитного соединения

Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 1

Δ (рис. 1) исчезнет и произойдет сварка. Такой процесс кажется вероятным и не противоречит второму началу термодинамики, так как свободная энергия системы при этом должна уменьшиться на величину энергии двух исчезнувших поверхностей раздела.

В действительности даже в идеальном случае для соединения поверхностей требуются затраты энергии. Дело в том, что любому устойчивому состоянию системы соответствует определенный минимум энергии атома. Каждый атом находится как бы в потенциальной лунке и переход из одного устойчивого состояния в другое возможен только путем преодоления энергетического барьера (рис. 2).

Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 2

w_п. Если для перемещения внутри тела атому необходима энергия w₀ (см. рис. 2), то для выхода в окружающую среду w_п, причем w_п>w₀. Поэтому для соединения двух монокристаллов в один требуется деформационная или тепловая, энергия извне, превышающая граничную энергию w_г.

Внешняя энергия деформации будет затрачиваться на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояния между ними будут равны межатомному расстоянию в решетке кристаллов, возникают квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла, и появится выигрыш энергии, равный избыточной энергии поверхностных атомов кристаллов до их соединения — энергии активации. Тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры, уве-личивает вероятность развития квантовых процессов электронного взаимодействия в соединении

Сварку можно отнести к классу так называемых топохимических реакций, которые отличаются двухстадийностью процесса образования прочных связей между атомами соединяемых веществ (рис. 3). Двухстадийность характерна только для микроучастков соединяемых поверхностей. На первой стадии А развивается физический контакт, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояние, требуемое для межатомного взаимодействия, а также происходит подготовка поверхностей к взаимодействию. На второй стадии Б — стадии химического взаимодействия – заканчивается процесс образования прочного соединения.

1)свариваемые поверхности имеют микронеровности (даже при тщательной обработке), высота которых измеряется микрометрами. Поэтому при совмещении поверхностей контакт возможен лишь в отдельных точках;

Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 3σ в зависимости от длительности сварки tпри быстром (1) и медленном (2) развитиии стадий образования стадий физического контакта А и химического взаимодействия Б

Для качественного соединения материалов необходимо обеспечить контакт по большей части стыкуемой поверхности и активизировать ее. Активация поверхности заключается в том, что поверхностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая:

1)для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;

2)для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера охватывания, т. е. для перехода их в активное состояние.

Такая энергия активации может в общем случае сообщаться в виде теплоты (термическая активация), упругопластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением

При сварке плавлением сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким металлом, а активация поверхности твердого металла – путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхности тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание (или адгезию) его молекул и поверхностного слоя твердых тел.

При затвердевании расплавленного материала слабые адгезионные связи заменяются прочными химическими связями, соответствующими природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки. Вводимая энергия (обычно тепловая) должна обеспечивать расплавление основного и присадочного материалов, оплавление стыка, нагрев кромки и т.д. При этом происходит усиленная диффузия компонентов в расплавленном и твердом материалах, их взаимное растворение. Эти процессы, а также кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны обеспечивают объемное строение зоны сварки, что обычно повышает прочность сварного соединения.

Сварка плавлением происходит без приложения осадочного давления путем спонтанного слияния объемов жидкого металла. Она обычно не требует тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

Обе стадии процесса соединений – физический адгезионный контакт и химическое взаимодействие, сопровождаемое диффузией, – протекают достаточно быстро (см. рис. 3, кривая 1). Для однородных металлов это не опасно. Но в случае разнородных материалов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте.

При быстром образовании физического контакта твердого тела с расплавом, например, при сварке путем расплавления одного из соединяемых материалов, сначала на границе твердой и жидкой фаз будет наблюдаться пик межфазной энергии w_г, аналогичный w_п (см. рис. 2, б), так как переход атомной системы в новое состояние происходит не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Длительность ретардации (задержки) пика поверхности раздела, как называют этот период, может быть приближенно рассчитана как время жизни атома перед потенциальным барьером или определена опытным путем. На основании этих данных можно определить допустимую длительность контакта твердой и жидкой фаз и оптимальную температуру сварки.

1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением

При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение атомов и активация (очистка) поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической деформации соединяемых материалов в контакте, часто одновременно с дополнительным нагревом.

Длительность стадий образования физического контакта А и химического взаимо-действия Б здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т. д.).

В последнее время предложены методы приближенного расчета параметров режима сварки статическим давлением, которые подтверждаются опытом. Длительность процесса образования физического контакта, заключающегося в смятии микронеровностей, рассчитывают по скорости ползучести. Длительность второй стадии – химического взаимодействия — оценивают по уравнению Больцмана как длительность периода активации. Расчеты основаны на представлениях о схватывании материалов в ре-зультате ползучести на контактных поверхностях и образовании прочных химических связей в местах выхода и перемещения вакансий, дислокаций и скоплений. Выход дислокаций на контактную поверхность активирует ее путем разрыва насыщенных связей, что приводит к образованию активных центров.

Однако принято считать, что при соединении металлов в твердом состоянии имеет значение не только схватывание, но и спекание. Спекание – комплекс диффузионных процессов, протекающих во времени при повышенных температурах. Схватывание – бездиффузионное явление – объединение кристаллических решеток, находящихся в контакте тел в результате их совместного пластического деформирования. Относительная роль схватывания и спекания в разных методах соединения металлов раз-лична и определяется в основном температурой, временем и давлением в контакте. Например, диффузионную сварку при большом времени выдержки можно считать основанной на явлении спекания. Во всех остальных случаях схватывание первично, а диффузионные и рекристаллизационные процессы, если они вообще происходят, вторичны.

1.2 Классификация сварочных процессов

1.2.1 Признаки классификации

При классификации процессов сварки целесообразно выделить три основных физических признака:

1)наличие давления;

2)вид вводимой энергии;

3)вид инструмента – носителя энергии.

Остальные признаки можно условно отнести к техническим или технологическим (табл.1). По виду вводимой в изделие энергии все сварочные процессы, включая сварку, пайку, резку и др., могут быть разделены на термические, термомеханические и прессово-механические способы.

Термические процессы идут без давления (сварка плавлением), остальные – обычно с давлением (сварка давлением).

Термины «класс», «метод», «вид», «способ» условны, но будут использованы в классификации, они позволяют в дальнейшем ввести четкую систему типизации процессов сварки. Термин «процесс» используют как независимый от классификационных групп.

Таблица 1

Признаки и ступени классификации сварочных процессов

Наименование признака	Содержание признака	Ступени классификации и порядок расположения процессов
Физические	Наличие давления при сварке	Класс
Вид энергии, вводимой при сварке	Подкласс
Вид нагрева или механического воздействия (вид инструмента)	Метод
Технические	Устанавливается для каждого метода отдельно	Группа Подгруппа Вид Разновидность
Технологические	То же	Способ Прием
Технико-экономические	Удельная энергия, необходимая для соединения, удельные затраты и т.п.	Устанавливается порядок в расположении методов сварки от механических к термическим процессам по увеличению удельных показателей

1.2.2 Классификация сварочных процессов по физическим признакам

Классификация методов сварки по физическим признакам приведена в табл.2. Физические признаки – общие для всех методов сварки. Технические признаки могут быть определены только для отдельных методов сварки.

Таблица 2

Классификация методов сварки по физическим признакам

Сварка без давления (плавлением)	Сварка давлением
Термические процессы	Термомеханические процессы	Прессово-механические процессы
Газовая Термитная Дуговая * Электрошлаковая * Индукционная Электронно-лучевая Фотонно-лучевая (лазерная) Плазменно-лучевая (микроплазменная)	Контактная * Газопрессовая Индукционная с давлением Дугопрессовая (дугоконтактная) Печная с давлением Термитная с давлением Термокомпрессионная Диффузионная	Холодная Трением Взрывом Ультразвуковая Вакуумным схватыванием
* - рекомендуется дополнительная классификация по техническим и технологическим признакам

Энергетический анализ показывает, что все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются введением только двух видов энергии – термической и механической или их сочетаний. Поэтому в группу особых процессов пока могут быть включены только нейтронная сварка пластмасс и (условно) склеивание, которое практически происходит без введения энергии. Сварка вакуумным схватыванием (не в отдельных точках, а по всему стыку) возможна только при наличии сдавливания, поэтому она также отнесена к механическим процессам, хотя при сварке здесь энергия может даже выделяться, а не вводиться извне.

Сложившийся годами термин «сварка давлением» не совсем точен, так как давление в этих процессах – не единственное внешнее воздействие. Однако он общеупотребителен. Давление необходимо всегда, когда при сварке отсутствует ванна расплавленного металла, и сближение атомов (их активация) достигается вследствие упругопластической деформации материала поверхностей.

Следует отметить, что и при наличии давления может происходить расплавление металла, например, при термитной сварке с давлением, контактной точечной и шовной сварке с образованием литого ядра, стыковой сварке оплавлением, сварке трением и др.

Для всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергии (инструмента), в стык она вводится в конечном итоге всегда через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала носит в термодинамике название термической, чем обосновано наименование этих процессов.

К термомеханическим процессам относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве, введении в зону сварки горячего инструмента и т. п. Сварка может вестись как с плавлением металла (частичным или по всему соединению), так и без плавления.

В основе всех прессово-механических процессов лежит пластическая деформация, создаваемая тем или иным способом в зоне сварного соединения. Для пластичных материалов возможна деформация в холодном состоянии (холодная сварка), при увеличении свариваемых сечений и повышении прочности свариваемого материала (сталь) для уменьшения усилий деформирования и повышения пластичности материала его предварительно подогревают (кузнечная сварка). В ряде случаев нагрев свариваемых изделий осуществляется в результате преобразования первичной механической энергии в тепловую (сварка трением, ультразвуковая сварка). Давление в прессово-механических сварочных процессах может осуществляться как при помощи мощных пневмогидравлических устройств, так и за счет энергии взрыва (сварка взрывом).

Наибольшее распространение в промышленности получили дуговые методы сварки, в которых необходимая энергия выделяется при горении сварочной дуги. Она идет на расплавление основного и присадочного металлов, сообщения их атомам энергии активации, образование физического контакта и др. процессы, имеющие место при сварке. Одним из способов дуговой сварки и является рассматриваемая в этой работе ручная электродуговая сварка плавящимся толстопокрытым электродом.

1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов

В период расцвета трубопроводного строительства еще в Советском Союзе применялось множество методов сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Такой вывод можно сделать хотя бы по содержанию основного ведомственного нормативного документа Миннефтегазстроя СССР, регламентирующего организацию и технологию сварочных работ – ВСН 006-89 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка». Данный документ является действующим. Он регламентирует:

Кроме того, существуют и другие технологии, не регламентированные ВСН, но пригодные для использования при сварке объектов магистрального транспорта нефти и газа. К ним, в основном, относятс различные перспективные способы сварки (лазерная, электронным лучем и др.)

Классификация и сущность (схемы) методов сварки, используемых при строительстве магистральных трубопроводов, приведены на листе 1. Краткое описание наиболее распространенных при сварке магистральных трубопроводов методов изложено в последующих пунктах.

1.2.3.1 Сущность метода ручной дуговой сварки

Сущность всех дуговых методов сварки заключается в использовании тепла электрической дуги – мощного стационарного самостоятельного газового разряда с низким катодным напряжением, существующего в промежутке между двумя электродами, роль которых при сварке выполняют плавящийся или неплавящийся электрод и металл свариваемого изделия. Это тепло идет на расплавление основного и присадочного металлов, сообщения их атомам энергии активации, образование физического контакта и др. процессы, имеющие место при сварке.

При ручной дуговой сварке в качестве анода и катода выступают металл свариваемого изделия и сварочный электрод – металлический стержень, покрытый слоем особого состава – обмазкой, или, согласно официальной терминологии, покрытием. Назначение покрытия – стабилизация дуги, защита и легирование расплавленного металла сварочной ванны. Различают четыре вида покрытия: основной, целлюлозный, рутиловый и кислый; для сварки магистральных трубопроводов разрешены только электроды первых двух видов. Различные виды покрытия электродов по-разному взаимодействуют с металлом в процессе сварки. Химический состав металла электрода и покрытия определяется химическим составом металла свариваемого изделия (труб) и выбранной технологией сварки.

Возбуждение электрической дуги при ручной дуговой сварке основано на использовании явления короткого замыкания. При этом происходит следующее: в месте контакта на катоде образуется катодное пятно, которое настолько сильно нагрето, что становится способным к электронной эмиссии (т.е. испусканию электронов) при приложении напряжения в 60-70В. Для возникновения сварочной дуги как газового разряда необходимо наличие заряженных частиц, направленное движение которых и будет электрическим током. Явлением, обеспечивающим появление этих частиц, является термическая, или ударная ионизация. Эмитированные катодом электроны в результате соударения с нейтральными ионами приводят к появлению ионов. В результате в газовом промежутке между двумя электродами возникают носители электричества – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы, создаются условия для возникновения сварочной дуги, тепло которой используется при сварке.

Металл сварного шва – закристаллизовавшейся сварочной ванны – будет состоять из смеси металла труб и металла электродов. Его физико-химические характеристики будут зависеть как от качества и правильности принятия решений по выбору технологии сварки, так и от качества выполнения сварочных работ и последующей термообработки сварного шва.

Более подробно физические основы ручной дуговой сварки рассмотрены в разделе 1.3.

1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса

Физические основы дуговой сварки под слоем флюса те же, что и ручной дуговой сварке. Отличительные же особенности этой разновидности дуговой сварки следующие: применение голой электродной проволоки, подаваемой в зону сварки из кассеты; обеспечение токопровода к электроду вблизи дуги; горение дуги в газовом пузыре, защищаемом от воздуха слоем расплав-литого флюса-шлака и твердого флюса; защита сварочной зоны от вредного излучения дуги. Первые два фактора способствуют резкому увеличению плотности сварочного тока по сравнению с ручной сваркой, что позволяет увеличить производительность наплавки электродного металла.

Идея применения сварки с использованием специальных порошков-флюсов принадлежит Н. Г. Славянову. В 1929г. советский инженер Д.А.Дульчевский предложил способ автоматической сварки меди под слоем порошкообразных горючих веществ. Сварка под флюсом была разработана Институтом электросварки им. Е. О. Патона (ИЭС) и получила применение в промышленности в 1938–1940гг. Внедрение автоматической сварки под флюсом в трубопроводном строительстве позволило в 2 раза увеличить производительность сварочно-монтажных работ. Этот способ впервые применили при строительстве газопровода Дашава – Киев в 1948г. Применение автоматической сварки под флюсом для сооружения магистральных трубопроводов позволяет добиться уровня механизации сварочных работ до 50 %.

Автоматическую сварку под слоем флюса в трубопроводном строительстве применяют при изготовлении длинномерных секций диаметром 273–1420 мм на полустационарных трубосварочных базах. Строительство трубопровода в непрерывную нитку из 24- и 36-метровых секций вместо одиночных 12-метровых труб позволяет существенно увеличить темп сооружения трубопровода. При строительстве магистральных трубопроводов наиболее распространены две типовые схемы трубосварочных баз:

В последне время появился еще один вид трубосварочных баз – передвижная мобильная трубосварочная база (ПМТБ), предназначенная для механизированной сварки под флюсом поворотных стыков труб в полевых (трассовых) условиях. В зависимости от условий строительства и диаметра труб ПМТБ позволяет изготавливать непосредственно на строительной полосе 2-х, 3-х или 4-х трубные секции. Применение такой базы позволяет существенно снизить затраты на транспортировку трубных секций, характерные для строительства с применением полустационарных трубосварочных баз.

1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов

Электродуговая сварка в среде защитных газов отличается от сварки под слоем флюса тем, что горение дуги идет (в соответствии с названием) в газовой среде, создаваемой в зоне сварки. Эта среда может состоять из углекислого газа, гелия, аргона или их комбинаций.

Электродуговую сварку в среде защитных газов изобрел Н. Н. Бенардос. В период второй мировой войны в США нашла применение сварка в среде аргона и гелия неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимися электродами. В 1952г. К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым была изобретена проволока, использование которой в сварочном процессе позволило осуществить сварку плавящимся электродом в среде углекислого газа.

Основное преимущество процесса сварки в среде защитных газов заключается в повышении вязкости расплавленного металла, что позволяет сваривать стыковые швы на весу и механизировать сварку неповоротных стыков в разных пространственных положениях. Для сооружения магистральных трубопроводов сварку в среде углекислого газа начали применять с 1959г.

При помощи сварки в среде СО₂ плавящимся электродом (сварочной проволокой) можно сваривать первый (корневой) слой шва поворотных стыков на трубосварочных базах, но более распространена сварка неповоротных стыков на трассе.

1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительным формированием шва

Дуговая сварка порошковой проволокой разработана в ИЭС им.Е.О.Патона.

Схема принудительного формирования предусматривает сварку правого и левого полупериметров стыков труб большого диаметра одновременно двумя головками. В начале сварки первой головкой в качестве дна плавильного пространства используют металлическую вставку, как правило, из электродной проволоки. Дном плавильного пространства может также быть мощная, качественно выполненная прихватка. В плавильное пространство, образованное кромками свариваемых деталей и формирующими устройствами, примыкающими к поверхностям деталей, подают порошковую проволоку, между концом которой и жидким металлом горит электрическая дуга. За счет тепла дуги и сварочной ванны оплавляются кромки деталей. По мере кристаллизации шва формирующие устройства вместе со сварочным автоматом перемещаются по стыку снизу вверх.

Самозащитная порошковая проволока обеспечивает зону сварки технологически необходимым слоем шлака, который находится в зоне ползуна в пластичном или жидком состоянии. Порошковая проволока состоит из малоуглеродистой ленты, свернутой и протянутой в трубочку диаметром 2–3мм, заполненную порошкообразным наполнителем. Наполнитель состоит из смеси минералов, руд, ферросплавов металлических порошков, химикатов и других материалов, сгорание которых при сварке обеспечивает защиту зоны сварки от воздействия окружающей среды.

Применение порошковой проволоки позволяет снизить трудоемкость и повысить качество сварных соединений при трубопроводном строительстве. Надежно защищая сварочную ванну в процессе сварки, она позволяет избежать транспортировки на трассу баллонов с защитным газом, а также не требует защиты зоны сварки от ветра, что необходимо при сварке в защитном газе.

Резервы повышения производительности дуговой сварки ограничены критической массой сварочной ванны, способной удерживаться в разделке в различных пространственных положениях. Существенное повышение производительности достигается принудительным формированием шва, которое применительно к сварке стыков труб можно осуществить только в сочетании с порошковой проволокой. Благоприятным фактором, способствующим принудительному формированию, при сварке порошковой проволокой является наличие шлака между горячей поверхностью шва и движущимся холодным формирующим устройством. В этих условиях шлак служит технологической смазкой и защищает ползун.

Для выполнения сварки стыков магистральных трубопроводов порошковой проволокой с принудительным формированием был разработан комплекс специализированного сварочного оборудования «Стык-1» для сварки стыков трубопроводов диаметра 1220–1420мм, а также комплекс «Стык-2» для сварки стыков трубопроводов диаметром 530–1020мм.

1.2.3.5 Электроконтактная сварка оплавлением

Контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения в результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. Контактная сварка имеет несколько разновидностей, одной из которых является стыковая сварка. В зависимости от особенностей процесса нагрева различают контактную стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. При сварке непрерывным оплавлением детали, в частности свариваемые трубы, сближают при очень малом усилиипри включенном сварочном трансформаторе. Оплавление торцов труб происходит в результате непрерывного образования и разрушения контактов-перемычек в отдельных точках сосоприкосновения торцов (стадия I). В результате оплавления (стадия II) на торцах труб образуется слой жидкого металла,который при осадке вместе с окисными пленками выдавливаиз стыка в виде грата (стадия III). При этомобразование содинения происходит в твердожидкой фазе. Характерной особенностью контактной стыковой сварки оплавлением является удале окислов из стыка вместе с прослойкой жидкого металла и образование на наружной и внутренней поверхностях стыка грата неправильной формы. При строительстве трубопроводов удаление грата обязательно как с наружной, так и со внутренней стороны трубопровода.

При сооружении магистральных и промысловых трубопроводов применяются передвижные и полустационарные установки. В их состав входят: сварочная машина с аппаратурой управления и контроля процесса сварки, наружный и внутренний гратосниматели, агрегат зачистки концов труб под контактные башмаки сварочной машины, транспортный рольганг, электростанции, транспортное средство (для передвижных установок).

Наиболее распространенными при строительстве магистральных трубопроводов являются трубосварочные базы с использованием установок ТКУС и комплекс для электроконтактной сварки неповоротных стыков «Север».

1.3 Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом

1.3.1 Физика сварочной дуги

1.3.1.1 Природа, строение и область существования сварочной дуги

Сварочной дугой называется мощный высокоамперный самостоятельный стационарный газовый разряд, существующий в промежутке «электрод – свариваемый металл»

Любой газовый разряд может быть самостоятельным и несамостоятельным, прекращающимся при устранении внешнего источника ионизации.

Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 4I – темновой разряд; II,IV – переходная зона; III – нормальный тлеющий разряд; V – аномальный тлеющий разряд; VI – дуговой разряд

^-10–10^-12А. Он появляется вследствие ионизации в объеме газа, на стенках и электродах, вызываемой космическими лучами. С помощью ограничивающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис. 4). Темновой разряд переходит в тлеющий, который отличается уже заметным свечением, используемым в газосветных трубках. Температура газа в тлеющем разряде практически не повышается. Затем через аномальный тлеющий разряд происходит переход к мощному дуговому разряду.

Все дуговые методы сварки основаны на использовании дугового газового разряда. Среди его особенностей – малое значение катодного напряжения U_к (порядка десятков вольт вместо сотен для тлеющего), большие плотности тока, составляющие сотни А/мм², высокая температура газа в проводящем канале при атмосферном давлении Т=5000–50000К, высокие концентрации частиц в катодной области.

Возбуждение дугового разряда возможно четырьмя основными способами:

1) при переходе из устойчивого маломощного разряда, например тлеющего (см. рис. 4);

2) в процессе создания высокоионизированного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода;

3) при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или высокого напряжения;

4) при замыкании и последующем размыкании токонесущих электродов (короткое замыкание). Данный способ является основным для возбуждения дуги при РДС. При этом происходит следующее: в месте контакта на катоде образуется катодное пятно, которое настолько сильно нагрето, что становится способным к электронной эмиссии при приложении напряжения в 60–70В. Для возникновения сварочной дуги как газового разряда необходимо наличие заряженных частиц, направленное движение которых и будет электрическим током. Явлением, обеспечивающим появление этих частиц, является ионизация.

При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом — высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, используя третий электрод.

1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика

Рис. SEQ Рис._ * ARABIC 5

_к и U_a обусловлены скоплениями пространственного заряда (рис. 6) и повышенным сопротивлением этих зон по сравнению со столбом. В длинной дуге можно отчетливо различить три указанные выше области, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной зонах. В связи с этим, в дальнейшем отдельно рассмотрены явления в столбе дуги и в пограничных областях – катодной и анодной. Для коротких дуг, где влияние процессов, происходящих у одного электрода, простирается до второго электрода, подразделение дуги на отдельные части, очевидно, становится бесполезным. В газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могут возникнуть во всех трех зонах, но главным образом они появляются в результате процессов эмиссии на катоде и объемной ионизации в столбе дуги. В связи с ограниченностью эмиссии электронов столб дуги (как и любой проводник) вдали от катода сохраняет по отношению к нему положительный потенциал, поэтому часто его называют положительным столбом. В то же время не следует забывать, что плазма столба обычно квазинейтральна.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 6U_д,, U_а, U_ст, U_к – напряжение соответственно дуги, анода, столба и катода

I_д интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается, и падает нужное для поддержания разряда напряжение (U_д); характеристика дуги является падающей.

Во II области при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается, и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика – пологой. Первые две области токов охватывают дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением. Падающая и пологая характеристики типичны для дуги при ручной дуговой (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 7

R=const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка к металлическому проводнику. Закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде.

1.3.1.3 Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы в дуге

После возбуждения разряда ионизация в газе может происходить в основном двумя путями: взаимным соударением частиц и поглощением квантов энергии (фотоионизация).

Одновременно идут процессы деионизации, т. е. образование нейтральных частиц при взаимодействии ионов и электронов.

Электрическое поле дуги напряженностью Е сообщает за 1 с энергию jE электронам и ионам в 1м³ столба. Электроны в связи с подвижностью воспринимают наибольшую часть этой энергии и в результате соударений передают ее атомам и ионам. Возможны два рода соударений – упругие и неупругие:

Электрон, который близко подходит к атому, отталкивается электронным облаком, но нарушает, в свою очередь, расположение облака. Окончательный результат зависит от скорости электрона (его энергии и направления движения).

1)медленный электрон легко отражается, а атомное электронное облако претерпевает лишь незначительное возмущение; это так называемое упругое соударение. Классически его можно представить как столкновение двух идеально упругих шаров, обменивающихся кинетической энергией. Изменения потенциальной энергии атома здесь не происходит.

2)при неупругих соударениях частиц энергия передается в виде энергии диссоциации w_д , возбуждения w_в или ионизации w_i , причем за одно столкновение может быть передано сразу несколько электрон-вольт. При этом электрон нейтрального атома переходит с низкого уровня на более высокий, потенциальная энергия атома растет, и атом возбуждается либо ионизируется. Запасаясь в возбужденных атомах, энергия вновь уходит из них в виде излучения – столб дуги светится.

Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия большая, чем самый высокий возбужденный уровень атома.

Энергию, которая должна быть сообщена электрону для его ионизации, часто выражают в вольтах (точнее в электрон-вольтах) и называют соответственно потенциалом ионизации U_i. Условия неупругого соударения электрона е при напряжении поля U можно записать так:

eU >> w_д (или w_в; w_i).

Значения первых потенциалов ионизации U_i некоторых атомов приведены в табл. 3:

Таблица 3

Значения первых потенциалов ионизации некоторых атомов

Атом	Cs	K	Na	Ca	Fe	H	O	N	Ar	F	Ne	He
U_i,эВ	3,9	4,3	5,11	6,08	7,83	13,53	13,56	14,5	15,7	18,6	21,5	24,5

Неупругие соударения частиц между собой при высоких температуре и плотности газа приводят к так называемой термической ионизации, которая возникает за счет кинетической энергии частиц. Наиболее вероятна схема электронного удара:

e_быстр + A⁰⁺ + 2e_медл

После неупругого соударения оба электрона будут обладать малыми скоростями и вновь начнут ускоряться электрическим полем.

Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно меньше, чем упругих.

Энергия ионизации зависит от строения атома, т.е. от его места в периодической системе элементов. Она представляет собой периодическуюфункцию атомного номера элемента Z и снижается с уменьшением номера группы и увеличением номера периода таблицы Менделеева.

Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соударениях между собой или с ионами и электронами, но и путем поглощения квантов излучения (явление фотоионизации). Такие кванты в дуге появляются при рекомбинации (деионизации, или восстановлении) других сильно возбужденных атомов. Условие фотоионизации:

hν eU_i

где h – постоянная Планка. Отсюда можно определить длину волны Λ_i электромагнитного излучения, способного вызвать ионизацию атомов:

ν= Λ_i=

Чем больше потенциал ионизации элемента, тем меньше требуемая для ионизации атома этого элемента длина волны. Для сварочной дуги соответствующие значения длины волны находятся в ультрафиолетовой части спектра. Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению термической (ударной), причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается.

В любой точке стационарного разряда концентрация заряженных частиц любого типа определяется равенством скоростей образования и потерь частиц в этой точке. Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной. Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновешивающие ее процессы деионизации. К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия)

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 8

Для сварочных дуг излучение рекомбинации преобладает над тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр с максимумом в области видимого и ультрафиолетового диапазонов (0,3–1,0мкм). Спектр сварочной дуги в парах металлов приближается к спектру солнечного излучения с небольшим сдвигом от последнего в сторону длинных волн (рис. 8).

1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации

Для обычных сварочных дуг, горящих в среде при давлении порядка атмосферного, столб дуги представляет собой плазму. В полностью ионизированной плазме нейтральные частицы отсутствуют.

Плазма дуги квазинейтральна (т. е. почти нейтральна), так, как в ней отрицательный заряд электронов почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. Однако так как электроны гораздо подвижнее, чем положительные ионы, то поле заставляет электроны быстро уходить к аноду и столб дуги имеет положительный потенциал относительно катода.

kT=10–100эВ и более. Плазма, имеющая kT порядка 1эВ (11600К), в физике считается холодной плазмой.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 9T_e и температура газа T_g= T_i в столбе дуги в зависимости от давления

Т_е и ионная T_i температуры не равны между собой, но с увеличением давления газа их значение и распределение по сечению столба дуги становятся почти одинаковыми (рис. 9). Ионная температура близка к температуре газа.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 10Fe-K

U_i. Практика показывает, что в смеси газов в большей степени ионизируется газ с наименьшим U_i. Расчет эффективного потенциала термической ионизации U₀ выполняется по формуле Фролова (под U₀ смеси, обладающей степенью ионизации x₀, следует понимать потенциал ионизации некого однородного газа, в котором число заряженных частиц такое же, как и в газовой смеси).

U₀= ln exp(-

где k – количество газов в смеси, ν_i – концентрация i-го газа в смеси, U_i – потенциал ионизации i–го газа, T – абсолютная температура.

Расчет U₀ в зависимости от концентрации паров в системе Fe-K при предположительной T = 5800К (рис. 10) позволяет сделать вывод, что сравнительно небольшие добавки ионизаторов достаточны для обеспечения стабильности горения дуги (при сварке под флюсом или покрытыми электродами).

1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги

Направленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумя причинами:

1)электрическим полем, создающим ток;

2)разницей в концентрации частиц между различными участками плазмы (амбиполярной диффузией). Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений. В слабо ионизированной плазме давление электронного и ионного компонентов мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц, так же как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих. Характерной особенностью процесса является то, что по условию квазинейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая благодаря этому опережению электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые ионы. В результате происходит выравнивание скоростей и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствие электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов. Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии.

Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обмен частицами между областями с различной температурой создает механизм плазменной теплопроводности, благодаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Перечисленные процессы объединяются общим названием – явление переноса. Они обеспечивают переход от неравновесного к равновесному состоянию.

Теплопроводность плазмы также обусловлена движением частиц. Главную роль в переносе теплоты от более горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря большей тепловой скорости). Если вдоль некоторого направления существует перепад температур, то электроны с большими энергиями идут в одну сторону, а с меньшими — в другую.

Пренебрегая очень небольшой долей энергии, получаемой ионами при их ускорении в продольном поле (ионный ток мал), можно считать, что вся энергия, отбираемая разрядом от внешнего источника в столбе дуги, переходит непосредственно электронам плазмы. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, а также на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид:

jE = W_n+ W_T + W_k

где W_n — потери столба дуги излучением; W_T и W_k — соответственно потери теплопроводностью и конвекцией.

Отношение W_n /(W_T + W_k) зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы.. Однако из опыта известно, что для дуг в парах металлов при I = 100–1000А до 90% энергии столба дуги теряется излучением. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели. Для краткости будем ниже такие дуги называть металлическими или Ме-дугами.

Температура в столбе дуги может быть примерно вычислена по формуле, полученной К.К.Хреновым:

TKU₀

где U₀ – эффективный потенциал ионизации, K – коэффициент, принимающий значения K=800 для РДС и K=1100 для сварки под слоем флюса. По длине столба температура принимается постоянной.

Таким образом, анализ проводимости вещества, а также элементарных процессов и термодинамики плазмы показал следующее:

1)в сварочных дугах имеются три характерные зоны – катодная, анодная и столб дуги;

2)столб сварочных дуг при атмосферном давлении представляет собой плазму с локальным термическим равновесием, квазинейтральностью и свойствами идеального газа. В столбе вакуумных сварочных дуг термическое равновесие может не наблюдаться, т.е. Т_е>(Т_i=Т_д);

3)с помощью физики элементарных процессов в плазме определяют потенциал ионизации газов U_i, эффективное сечение взаимодействия атомов с электронами (по Рамзауэру) Q_e и отношение квантовых весов а². С использованием термодинамических соотношений определяют эффективный потенциал ионизации U₀, температуру плазмы столба Т, напряженность поля Е и плотность тока j в нем.

Приближенные формулы позволяют оценивать значения параметров столба сварочной дуги и влияние отдельных факторов процесса.

1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда

1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии

Приэлектродные области электрического разряда – катодная и анодная – представляют собой переходные зоны между твердыми (или жидкими) поверхностями электродов и плазмой разряда. В катодной области сварочных дуг, какпредполагается, в основном, протекают эмиссионные процессы.

Известны следующие виды эмиссии электронов твердыми телами:

1)термоэлектронная;

2)автоэлектронная (или электростатическая);

3)фотоэлектронная (или внешний фотоэффект);

4)вторичная, возникающая при бомбардировке твердого тела тяжелыми частицами (атомами, ионами) или потоком первичных электронов.

5)экзоэлектронная эмиссия. Она возникает на поверхностях, обработанных с введением энергии извне (при резании и т. п.).

В сварочных дугах превалируют процессы термо- и автоэлектронной эмиссии.

Явление термоэлектронной эмиссии заключается в испускании всеми металлами при достаточно высоких температурах электроны, число которых быстро возрастает с повышением температуры. Механизм этого явления заключается в следующем: электроны проводимости свободно перемещаются по всему объему металла, но не могут выходить за его пределы. Этому препятствует электрическое поле, действующее в узкой зоне, которую называют поверхностным потенциальным барьером или просто барьером; форма и высота его могут быть определены при вычисленииработы, необходимой для удаления электрона из металла – работы выхода. Наличие внешнего электрического поля снижает значение этой работы (эффект Шоттки). Сообщение электронам энергии (при сварке это термоэнергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока через площадь контакта при коротком замыкании), приводит к эмиссии электронов.

Явление автоэлектронной эмиссии основано на туннельных переходах – электронной эмиссии с заострений и шероховатостей металлической поверхности под действием внешнего электростатического поля. Объясняются эти переходы волновой природой электронов.

Фотоэлектронная эмиссия является следствием повышения энергии электронов в результате поглощения ими квантов внешнего излучения (света). При этом энергия отдельных электронов оказывается настолько большой, что некоторые из них преодолевают поверхностный барьер и оказываются эмитированными. Явление это носит название внешнего фотоэффекта. В обычных сварочных дугах фотоэмиссия мало поддается количественному расчету и играет незначительную роль в балансе энергии.

1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных областях

Поверхности сварочных электродов обычно покрыты твердыми ижидкими оксидами, пленками шлака и т. д., которые сильно влияют на работу выхода. Некоторые покрытия, например торий, лантан, барий на вольфраме, заметно улучшают эмиссионные свойства. Другие, наоборот, адсорбируясь на поверхности металлического катода, резко снижают эмиссию (например, кислород). Увеличение эмиссии объясняется созданием у поверхности эмиттера дипольного слоя, обращенного положительным зарядами наружу. Возникающее при этом электростатическое поле способствует увеличению «Шоттки-электронов» и туннельных электронов.

Эмиссионные свойства поверхности всякого катода (термо-, авто- и фотоэлектронного) неодинаковы. На ней существуют участки с различной работой выхода электронов. Различие плотности тока в отдельных участка» катода, особенно при низких температурах, доходит до такой степени, что практически весь эмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода. Это явление, заметное и у чистых металлов, но особенно резко выраженное у пленочных катодов, называют эмиссионной пятнистостью.

Обнаружено, что относительный коэффициент вторичной эмиссии σвт с окисленной поверхности алюминия, обработанной парами цезия, т.е. с поверхности металла, покрытой тонкой, плохо проводящей пленкой, иногда достигает огромных значений(σ_вт = 100–1000). Это же наблюдается при создании положительного заряда на пленке любым другим способом, в том числе осаждением положительных ионов газа, что весьма возможно для условий сварочной дуги в парах металлов. При толщине пленки порядка 1мкм среднее значение напряженности поля достигает в ней 106–107В/см, что может обеспечивать появление «Шоттки-электронов» и возникновение электростатической эмиссии.

С анода, изготовленного из очень чистого и слабо испаряющегося металла, происходит небольшая эмиссия положительных ионов. Она значительно усиливается, если анод содержит легко испаряющиеся примеси, особенно примеси щелочных металлов. Возможна также эмиссия отрицательных ионов с металлов, покрытых электропроводными слоями металлов или полупроводниками типа оксидов. Если накаленный эмиттер находится в парах какого-либо металла, то атомы падают на поверхность эмиттера, ненадолго адсорбируются ею и затем испаряются вновь. Часть из них испаряется в виде ионов. Такое явление получило название поверхностной ионизации. В сварочных дугах ионный ток обычно невелик, однако при сварке легко испаряющихся материалов, например латуни, из которой интенсивно выгорает цинк, он может оказаться значительным.

1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных зон

В переходных (приэлектродных) областях сварочных дуг отмечаются резкие изменения электрических, термических и других свойств по длине дугового разряда. Здесь существует переход от металлического проводника, в котором ток переносится исключительно электронами, к газообразному, в котором имеется как электронная, так и ионная проводимость. В дуговом разряде при высоких давлениях газа также существует переход от холодного электрода к весьма горячей плазме. При низких давлениях, наоборот, – от сравнительно горячего электрода к холодному газу.

В устойчивом дуговом разряде температура электродов часто приближается к точке кипения электродного материала, и его пары могут добавляться к газовой среде. Поэтому вблизи электродов дуга будет гореть в смеси газов и паров, а давление здесь может быть значительно выше, чем в столбе.

Можно предполагать, что в большинстве случаев эмиссионный ток электронов с поверхности сварочных катодов будет складываться из собственно термоэлектронов, «Шоттки-электронов», туннельных электронов и из вторичных электронов. В Ме-дугах при большой напряженности поля и низкой температуре плавления металла могут преобладать туннельные электроны, причем сильное поле вероятно также при наличии флюсовых диэлектрических пленок на катоде.

За исключением специальных случаев (например, угольная дуга), анод не эмитирует положительных ионов. Поэтому анодный ток – чисто электронный. Вблизи анода сказывается избыток отрицательного пространственного заряда и появляется анодное падение потенциала U_a. Его значение определяется, в основном, энергией, потребляемой для образования положительных ионов в анодной области. В большинстве случаев U_ак и для Ме-дуг U_a составляет 2–3В, U_к - примерно 10–20В

Обычно в анодной области дуги выделение энергии значительно больше, чем в катодной (в 2–2,7 раза). Это учитывается технологами при выборе полярности электрода и изделия.

Таким образом, рассмотрение приэлектродных областей дуги показало, что катодная область, служащая источником электронов, определяет свойства дуги. Исходя из вида катодов, сварочные дуги целесообразно разделить на:

1)металлические (Me-дуги) в парах с плавящимися холодными катодами;

2)дуги в газах с неплавящимися термокатодами (например, вольфрамовая W-дуга).

Обычные Me-дуги характеризуются следующими, общими для них всех, признаками:

1)сравнительно низкой (менее 3000–4000К) температурой катода, близкой к температуре кипения электродного металла, и его интенсивным испарением;

2)высокой плотностью тока в пятне дуги (j100 А/мм2)

3)блужданием и неустойчивостью пятна на жидком металле электрода;

4)катодным падением напряжения, соразмеримым с потенциалом ионизации металлов (10–20В); анодным падением напряжения, мало зависящим от материала электродов (2–3В);

5)температурой столба дуги около 5000К

6)наиболее вероятным механизмом появления электронов в катодной зоне при плотности тока j=104–105 А/мм2 можно считать автоэлектронную эмиссию.

1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги

1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в дуге

Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей, то существуют они и в сварочной дуге. На проводник длиной l с током I, находящийся в магнитном поле, действует сила Лоренца F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу Ампера (левой руки):

F = BIl

где магнитная индукция B=μH. Приμ=1 для неферромагнитной среды:

F = HIl

где Н – напряженность магнитного поля.

Применительно к газовому разряду вектор элементарной силы , действующей на каждую частицу зарядом q, движущуюся со скоростью , будет определяться векторным произведением:

F = (q/c)[ ]

F = (1/c)[]

где с — скорость света. Сила перпендикулярна плоскости векторов и H = const) действуют постоянное центростремительное ускорение v²/r и сила mv²/r = (1/c)qvH.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 11

будет направлена по-разному для каждой частицы при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов v_e и ионов v_i противоположны, и сила F для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 11). Собственный магнитный поток столба дуги Ф_ст , силовые линии которого концентрически охватывают столб и могут быть определены по правилу буравчика, стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта – электромагнитного сжимающего давления. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника (сварочной дуги) имеет параболическую форму с максимумом в центре. Для проводника переменного сечения, в частности, для сужения столба дуги около стержневого электрода, разность давлений вызовет осевую силу ΔF, действующую от меньшего сеченияк большему. Например, если площади сечений отличаются в 4 раза (2 раза по диаметру), то при токе 200А создается сила, способная удерживать стальную каплю диаметром около 4мм (см. [1], стр.81). Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа).

1.3.1.7.2 Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 12

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 13

В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.

Для объяснения «магнитного распора» в контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое тем больше, чем больше напряженность. Движение эластичного проводника – дуги – будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 14

Наличие значительных ферромагнитных масс вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также к магнитному дутью. Можно считать, что в ферромагнитной массе, благодаря ее высокой магнитной проницаемости «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается, и дуга отклоняется (рис. 14). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия. При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.

Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дугой переменного тока в металле изделия создается система - замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на 180° по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.

При сварке под флюсом магнитное дутье обычно мало. Однако при сварке продольных швов труб из-за значительной ферромагнитной массы и замкнутого контура трубы возникает поперечное магнитное поле, сдувающее дугу вдоль трубы. Изменяя токоподвод или наклон электрода, можно ликвидировать отрицательное влияние дутья.

1.3.1.7.3 Влияние на дугу внешнего магнитного поля

На сварочную дугу может воздействовать внешнее магнитное поле, которое по отношению к оси столба дуги может быть:

1)продольным;

2)поперечным.

Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.

При наложении продольного поля направлениямагнитного и электрического полей совпадают, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще тепловой скоростью хаотического движения и скоростью амбиполярной диффузии. В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное магнитное поле оказывает на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов. Скорость диффузии их направлена по радиусу от центра дуги к периферии, где температура и концентрация меньше. В связи с тем, что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны (v_ev_i), а масса m_e<i, импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля. Угловая скорость вращения максимальна в тех участках столба, где скорости диффузии наибольшие. Действие электрического поля приводит к появлению осевой составляющей вектора скорости, из-за чего заряженные частицы начинают двигаться по спирали. Продольное поле получают с помощью соленоида и используют для придания дуге большей жесткости и устойчивости. Оно несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с действием магнитного давления.

При наложении поперечного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или другую сторону. В той части сварочного контура, где силовые линии собственного и поперечного поля совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.

Воздействуя поперечным магнитным полем на дуги и ванну расплавленного металла, при сварке под флюсом можно, например, изменить формирование шва, в частности увеличить или уменьшить глубину проплавления.

Если использовать управление поперечным переменным магнитным полем, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой поля. Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения на конической или цилиндрической поверхности, и на нем основано несколько способов сварки. В частности, в трубопроводном строительстве применяется сварка вращающейся «бегущей» дугой.

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла можно использовать не только для регулирования глубины проплавления, но и для управления положением ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное поле позволит также управлять формированием шва в разных пространственных положениях.

1.3.1.8 Перенос металла в сварочной дуге

В зависимости от условий сварки (силы, плотности, формы, кривой тока и т.д.), можно назвать пять основных видов переноса электродного металла в дуге с плавящимся электродом (табл. 4).

Таблица 4

Основные виды переноса металла при дуговой сварке

Виды переноса	Типовые примеры
Крупнокапельный с замыканиями дугового промежутка	Ручная дуговая сварка при плотности тока j<100 А/мм²
Мелкокапельный с замыканиями дугового промежутка	Механизированная сварка в углекислом газе CO₂
Мелкокапельный без замыканий дугового промежутка	Сварка под флюсом при плотности тока j>1000 А/мм²
Струйный	Сварка в инертных газах тонкой проволокой при плотности тока j>1000 А/мм²
Парами металла	При всех видах сварки как дополнение к другим видам переноса

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость процесса сварки, разбрызгивание металла, формирование шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и ванне. В большинстве случаев, особенно при автоматизированных процессах сварки, предпочтителен струйный перенос, обеспечивающий лучшее формирование и качество шва.

На расплавленный металл в дуге действуют следующие главные силы:

1)силы тяжести;

2)силы поверхностного натяжения;

3)электродинамические силы в жидком проводнике;

4)реактивные силы,

5)электростатические силы;

6)силы давления плазменных потоков и др.

Силы тяжести способствуют переносу металла при сварке в нижнем положении и препятствуют при сварке в потолочном. Они оказывают наибольшее влияние на перенос электродного металла при сварке на малых токах, когда электродинамические силы еще сравнительно невелики.

Силы поверхностного натяжения придают каплям жидкости сфероидальную форму, удерживают капли на «потолке», втягивают капли металла в жидкую сварочную ванну. Оценить величину этих сил можно коэффициентом поверхностного натяжения α, равным отношению силы, действующей на границу поверхностной пленки жидкости к длине этой границы. Чем он меньше для данного металла, тем мельче капли материала и тем более вероятен переход к струйному или мелкокапельному переносу. Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертных газах в смесь добавляют до 5% кислорода.

При сварке на обратной полярности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли, и с увеличением тока его плотность остается постоянной, а размер пятна растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах, чем на прямой полярности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается. При увеличении плотности тока, например, при j>20А/мм² может наблюдаться электрокапиллярный эффект, сопровождающийся понижением α и способствующий струйному переносу металла.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 15d_э,d_ст – диаметры электрода и столба дуги

Реактивные силы, вызываемые давлением паров, обычно противодействуют начальному обрыву капли. Если эти силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу. При сварке на обратной полярности реактивное давление меньше, чем при сварке на прямой, соответственно, условия для струйного переноса создаются при более низких токах.

Электростатические силы возникают вследствие большого градиента потенциала (напряженности поля) в переходных областях дуги, а особенно у катода. В столбе дуги напряженность в тысячи раз меньше, поэтому создается разность давлений, и течение газа от анода (катода) становится подобным «электрическому ветру» с заряженного острия. Разность давлений может достигать десятков паскалей. Следствием этого может быть, например, деформация металла ванны в виде конуса полем высокой напряженности.

Плазменные потоки также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Ме-дугах, мощный катодный поток от электрода к изделию вызывает отраженный анодный поток, который может концентрически охватывать катодную струю. Такой анодный поток затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла в сторону или даже подъем ее над уровнем торца электрода.

1.3.1.9 Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом

Ручная дуговая сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диаметром 2–6мм на постоянном и переменном токах силой 100–300А при плотностях тока по сечению электрода j<20А/мм² в любом пространственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги составляет около 75%.

Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30% общей мощности дуги. Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На устойчивость дуги оказывают влияние внутренние условия в самой дуге (состав и свойства плазмы) и внешние условия – статические и динамические свойства источника питания и свойства электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 16Me-дуги при I=200А, U=26В

длине. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше ее устойчивость.

Введение в дугу элементов с низким потенциалом U_i повышает ее устойчивость. Такие элементы облегчают возбуждение дуги, горение ее на переменном токе, а также уменьшают блуждание и разбрызгивание на постоянном токе. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с воздействием их на работу выхода катода, поскольку значение работы выхода тесно связано с потенциалом ионизации. Пары веществ-ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу выхода, что снижает катодное падение, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом. Введение элементов-ионизаторов уменьшает мощность, выделяемую в приэлектродных областях, и увеличивает долю энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается. Примерная диаграмма баланса энергии открытой Me-дуги при I = 200А, U = 26В приведена на рис.16.

1.3.2 Металлургические процессы при сварке

1.3.2.1 Процессы окисления металла шва

При сварке плавлением металл нагревается до высоких температур, его химическая активность резко возрастает, и он вступает во взаимодействие с окружающей средой. В результате окисления, т.е. процесса потери электронов с внешнего энергетического уровня и перехода металла в соединение с атомами более электроотрицательного элемента, свойства металла шва резко ухудшаются, а сварные конструкции теряют свою работоспособность. Сварочная металлургия характеризуется высокой температурой термического цикла, малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т.е. в состоянии, доступном для металлургической обработки металла сварного шва.

Металлы, обладая малым числом электронов на внешних энергетических уровнях, легко отдают их атомам элементов с высокой электроотрицательной способностью(F, Cl, S, O и др.). Окисление происходит по схеме:

Me⁰ – 2e^–Me²⁺

O⁰ + 2e^–^2–

Обратный процесс восстановления металлов будет определяться термодинамической устойчивостью их оксидов (галидов, сульфидов). Разложение соединения требует той же энергии, что пошла на его создание и, тем самым, определяет возможности данного металлургического процесса.

В области высоких температур соединения металлов с элементарными окислителями могут разлагаться, выделяя окислитель в газовую фазу:

⇆+

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 17Fe+MnOFeO+Mn); 2 – зона низких температур (Mn +FeOFe+MnO)

Восстановление металла сварного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.

1.3.2.2 Раскисление металла сварочной ванны

Раскисление (т.е., восстановление) металла сварочной ванны можно осуществлять несколькими путями:

1)извлечение кислорода более активными металлами – раскисление осаждением;

2)восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны;

3)извлечение оксидов из сварочной ванны путем обработки ее шлаками.

Раскисление осаждением основано на плохой растворимости металлами оксидов и сульфидов других металлов. Тогда возможен процесс:

[MeO] + [Э] ⇆ Me + ЭО

в результате которого образуются восстановленный металл и шлаковое эндогенное включение. В качестве раскислителей выбираются металлы, имеющие большее сродство к кислороду, нежели Fe, – Mn, Si, Ti, Al. Эти элементы вводятся из электродной проволоки или из покрытия электрода:

[FeO] + [Mn] ⇆ Fe + MnО

2[FeO] + Si ⇆ 2Fe + SiО2

2[FeO] + Ti ⇆ 2Fe + TiО2

3[FeO] + 2[Al] ⇆ 3Fe + Al2О3

Сравнительно малая активность марганца как раскислителя создает значительные остаточные концентрации его в металле, но в количестве до 1% они не влияют на механические свойства стали. Несмотря на невысокую раскислительную способность, марганец широко применяется в сварочной металлургии, т.к. кроме кислорода он извлекает из расплавленного металла серу, переводя ее в тугоплавкий (Т_пл=1883К) сульфид марганца MnS. Это понижает влияние легкоплавкой сульфидной эвтектики при кристаллизации металла шва и повышает его сопротивление образованию горячих трещин.

Углерод, присутствующий в стали, также является раскислителем:

[FeO] + [Fe3C] ⇆ 4Fe + CO↑

Реакция эта эндотермическая, поэтому углерод будет выступать как раскислитель только при высоких температурах – в каплях электродного металла или в сварочной ванне в основании дугового разряда, что приводит к выгоранию углерода при сварке плавлением.

Кремний – более активный раскислитель стали, и для него характерны малые остаточные концентрации кислорода в металле. Большой недостаток раскисления осаждением – образование эндогенных неметаллических шлаковых включений. Они представляют собой концентраторы напряжений и могут снижать как прочностные, так и пластические свойства соединения, особенно если будут иметь неправильную геометрическую форму с малым радиусом кривизны. Во избежание этого вводят не один, а два и более раскислителя, с тем чтобы их оксиды взаимно понижали температуру плавления и включения имели глобулярную форму.

1.3.2.3 Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы

Воздух представляет собой смесь различных газов. Все они могут контактировать с расплавленным металлом сварочной ванны, вступать с ним в реакции и снижать качество сварного соединения.

Азот, составляющий основную часть воздуха, всегда в какой-то степени участвует в процессах сварки плавлением, и по его содержанию можно судить о качестве защиты зоны сварки от атмосферы. Образование соединений азота с железом приводит к выпадению кристаллов Fe₃N при кристаллизации или при распаде твердых растворов. В результате, металл шва теряет пластичность, а сварное соединение становится склонным к образованию холодных и горячих трещин.

Водород также является вредной примесью, поскольку резко снижает пластичность металла (водородная хрупкость). В сварных соединениях он, в силу своей большой подвижности, в течение сварочного цикла распределяется неравномерно, и при средней допустимой концентрации водорода могут создаваться локальные концентрации, вызывающие появление дефектов сварного соединения (поры, трещины). Общей теории водородной хрупкости пока еще не существует, т.к. водород (а точнее, протон) в твердых металлах ни одним из известных экспериментальных методов не обнаруживается.

Для защиты о воздействия атмосферы применяются шлаки – жидкие минеральные фазы, отделяющие зеркало расплавленного металла от непосредственного действия газовой атмосферы. Шлак не изолируетметалл от окружающей среды, а только заменяет непосредственное ее воздействие диффузионным. Через шлак газы или металлы (в виде своих низших оксидов) могут диффундировать на границу раздела с атмосферой, там окисляться и, возвращаясь в металл, передавать захваченный кислород.

При сварке толстопокрытыми электродами реализуется смешанный газошлаковый метод защиты сварочной ванны. Подобная защита образуется при сгорании покрытия электрода.

1.3.2.4 Покрытие электродов, его компоненты и их функции

В состав этого покрытия входят компоненты, выполняющие следующие функции:

1)защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха;

2)раскисление металла сварочной ванны;

3)легирование металла сварочной ванны нужными компонентами;

4)стабилизация сварочной дуги.

Таким образом, компоненты покрытия можно условно разделить в зависимости от их функционального назначения на следующие группы:

1)ионизирующие – соединения, содержащие ионы щелочных металлов (Na₂CO₃, K₂CO₃), пары которых снижают сопротивление дугового промежутка и делают разряд более устойчивым;

2)шлакообразующие – соединения, дающие при плавлении шлаки различного состава и основности (полевой шпат K₂O·Al₂O₃·6SiO₂, мрамор и мел CaCO₃, магнезит MgCO₃, глинозем Al₂O₃, флюорит CaF₂, рутил TiO₂, кварцевый песок SiO₂, иногда гематит Fe₂O₃);

3)газообразующие компоненты, разлагающиеся с выделением большого объема газа (мрамор, мел, декстрин, крахмал, целлюлоза; продукты сгорания CO₂, CO, H₂, H₂O);

4)раскислители и легирующие компоненты (металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам);

5)вяжущие компоненты (жидкое стекло, полимеры).

В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, электродные покрытия можно разбить на четыре группы (вида):

1)кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). Раскислителем служит ферромарганец.

2)основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамора) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создается диссоциацией мрамора. В качестве раскислителей используется ферротитан, ферромарганец, ферросилилиций. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало мрамора (мела) и много флюорита для сварки высокопрочных сталей. Уменьшение доли мрамора в покрытии снижает окисление металла и уменьшает содержание углерода в нем.

3)рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин), а также карбонаты (магнезит, мрамор). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в состав покрытия вводят железные опилки.

4)целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). В некоторые покрытия этого вида вводят небольшое количество оксидов железа, марганца и титана. Для раскисления добавляют ферромарганец и ферросилиций.

1.3.2.5 Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 18

Fe + [MnO]→ [FeO] + [Mn]

2Fe + [SiO₂]→ 2[FeO] + [Si]

В этой же зоне происходит интенсивное окисление углерода стали:

[FeO] + [C]→ Fe + CO

и восстановление кремния марганцем:

2[Mn] + SiO₂→ 2MnO + [Si]

Интенсивное перемешивание шлака с металлом приводит к извлечению значительной части FeO в шлаковую фазу, где он может переходить в силикаты (диффузионное раскисление):

Шлак FeO + SiO₂ = FeSiO₃

Металл 2[FeO] + [Si] = 2Fe + SiO₂

Таким образом, в сварочную ванну попадает обогащенный марганцем и кремнием металл. При понижении температуры он начинает раскислять металл шва:

[Mn] + [FeO]→ Fe + (MnO)

[Si] + 2[FeO]→ 2Fe + (SiO₂)

А поскольку основная часть FeO уже извлечена шлаком, металл шва после раскисления будет содержать остаточное количество марганца (около 0,60%) и кремния (около 0,10%).

1.3.2.6 Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытием основного и целлюлозного вида

Согласно СНИП 2.05.06-85*, для сварки магистральных трубопроводов могут быть применены только электроды с покрытием основного или целлюлозного вида. Поэтому имеет смысл рассмотреть происходящие при сварке этими электродами процессы более подробно.

Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки разложением мрамора CaCO₃ , а образовавшийся при этом оксид кальция CaO уходит на формирование шлаковой системы Cao-CaF₂. Атмосфера сварочной дуги состоит из CO, CO₂, H₂, H₂O. Пары воды выделяются из покрытия, и во избежание этого электроды перед сваркой необходимо прокаливать при температуре Т=470–520К (до 570К). Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, имеющий в своем составе мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных и жаропрочных сталей применяют электроды с пониженным содержанием (15–20%) мрамора и увеличенным (60–80%) содержанием флюорита в покрытии. В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода на уровне 0,02–0,05%, как этого требуют ТУ. Среди недостатков электродов с основным видом покрытия можно отметить низкую устойчивость дуги, требующую сварки на постоянном токе обратной полярности.

Электроды группы Ц содержат в своем составе до 50% органических веществ, и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту зоны сварки. Для предотвращения водородной хрупкости и появления пор при сварке необходимо вводить окислители TiO₂, FeO, MnO₂. Для уменьшения влияния водорода в покрытие также вводят плавиковый шпат (флюорит). Важный показатель качества сварных соединений – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства. В таблице 5 рассмотрены основные характеристики сварных соединений, выполненных электродами с различными видами покрытия.

Таблица 5

Массовые доли включений, % ,при использовании при сварке электродов различных групп

Вид покрытия	[O₂]	[N₂]	[H₂]·10^-5	Неметаллические включения
Кислое А	0,9…0,12	0,010…0,025	15…20	0,10…0,20
Основное Б	0,03…0,05	0,007…0,012	…4	…0,10
Рутиловое Р	0,08…0,09	0,016…0,025	…30	0,06…0,10
Целлюлозное Ц	0,04…0,10	0,010…0,025	20…35	0,10…0,16

1.3.2.7 Способы легирования металла шва

Для получения равнопрочности и одинаковых свойств металла шва и основного металла при сварке применяют легирование – введение дополнительных элементов, обеспечивающих необходимые свойства. Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия. Таким образом, легирование может быть осуществлено одним из следующих способов:

1)легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана и др.;

2)легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия. Подобное легирование легко осуществимо для малоактивных элементов (медь, никель) и ограничено для таких элементов, как марганец, кремний, хром;

3)легирование путем изменения состава электродных проволок, дающее самые стабильные результаты;

4)легирование при расплавлении основного металла, что имеет место при сварке термоустойчивых и высокопрочных сталей.

При определении степени легирования металла шва при сварке электродами следует учитывать потери легирующих элементов, возникающие вследствие испарения, разбрызгивания металла и окислительно-восстановительных реакций.

1.3.2.8 Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва

Как уже отмечалось выше, при сварке металл находится в состоянии повышенной химической активности и способен реагировать с другими веществам, находящимися в зоне сварки. Почти всегда продукты этих реакций вызывают значительное ухудшение качеств сварного соединения, поэтому они весьма нежелательны. Рассмотрим влияние различных примесей на качество металла сварного шва.

Сера S – всегда вредная примесь при сварке, поскольку она способна образовывать относительно легкоплавкие эвтектики Me-MeS, что создает возможность появления «горячих трещин» в металле шва. Содержание серы в металлах и сварочных материалах жестко лимитируется. Снижение вредного влияния серы достигается благодаря переводу ее из сульфидов железа в сульфиды с более высокой температурой плавления ( для MnS T_пл=1883К, для CaS Τ_пл=2273К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические эндогенные включения еще в жидком металле сварочной ванны. Достигается это путем введения достаточного количества марганца. Кальций вводится в виде силикокальция через электродные покрытия. Общее снижение содержания серы возможно при сильно основных шлаках. Фторидные компоненты шлаковых систем также способствуют удалению серы из металла:

CaF₂ + FeS → CaS + FeF₂↑

Фосфор P – почти всегда вредная примесь в металлах, резко снижающая их пластичность. Так, при кристаллизации стали, фосфор образует ряд соединений с железом (Fe₃P, Fe₂P, FeP, FeP₂), отличающихся своей хрупкостью. Кристаллы этих соединений могут стать зародышами «холодных трещин». Понизить содержание фосфора в металле шва практически не удается, т.к. он окисляется только в окислительных шлаках, а при сварке используются восстановительные.

Кислород O – вредная примесь в металле при сварке, снижающая его пластические свойства, поэтому при всех видах сварки предусматривается раскисление металла шва до допустимой нормы. Однако при сварке конструкционных сталей следует сохранять некоторую окисленность стали для снижения растворимости водорода.

Азот N поглощается металлом сварочной ванны из атмосферы дугового промежутка, где он находится в основном, атомарном и частично ионизированном состоянии. Растворимость азота в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообразном состоянии, образуя поры. Он также образует нитриды железа(Fe₄N, Fe₂N),формирующие очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин (замедленное разрушение). Однако в некоторых сталях аустенитного класса содержание азота доводят до 0,3–0,4%.

Водород H – всегда вредная примесь в металлах при сварке, являющаяся причиной водородной хрупкости. Он может быть поглощен из атмосферы дугового промежутка либо содержаться в основном металле. Водород, поглощенный из дугового промежутка, где он находится в атомарном или ионизированном состоянии, при кристаллизации резко снижает свою растворимость, выделяясь из металла и вызывая появление пор и трещин. Водород, содержащийся в основном металле, может находиться в состоянии твердого раствора внедрения (диффузионно-подвижный водород), а также в связанном состоянии. Водород в молекулярном состоянии находится в микронесплошностях металла. Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в металле в результате концентрационной, или термической диффузии, создающейся вследствие градиента температур. В результате образования сварного соединения в условиях высоких градиентов температур возникает неравномерная концентрация водорода, которая может быть устранена последующей термообработкой. Направление потока термодиффузии водорода противоположно направлению потока теплоты. Максимальная концентрация водорода наблюдается вблизи линии сплавления. Таким образом, при средней относительно небольшой концентрации водорода в металле, в сварочном соединении возникают опасные зоны повышенной хрупкости. К основным путям снижения водорода в зоне сварки можно отнести:

1)снижения парциального давления водорода и создание условий для уменьшения его растворимости в жидком металле сварочной ванны (путем введения в покрытие фторидов и хлоридов, позволяющих связать водород в прочные соединения, не растворяющиеся в жидком металле);

2)тщательная подготовка кромок под сварку, удаление частично гидратированных оксидных пленок на металле;

3)уменьшение содержания водяных паров в атмосфере дугового разряда прокалкой электродов.

Содержание углерода C стараются сохранить при сварке конструкционных, низколегированных сталей. Однако при сварке специальных и термоустойчивых сталей, в которых содержание углерода должно быть малым (0,03–0,06%), в результате взаимодействия с углеродсодержащими веществами в сварочных материалах (карбонатами и др.) содержание углерода может подняться выше допустимых пределов.

1.3.3 Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке

При сварке в металле происходят термодеформационные и физико-химические процессы. Термодеформационные процессы заключаются в упругопластическом деформировании металла при неравномерном нагреве в процессе сварки и возникновении вследствие этого временных и остаточных напряжений. Физико-химические процессы при сварке происходят в твердом и расплавленном металле и характеризуются фазовыми и структурными превращениями, растворением и выделением веществ из раствора, диффузией и другими явлениями.

Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке определяют технологическую прочность металла шва и зоны термического влияния, т.е. стойкость против образования локальных разрушений в процессе изготовления сварного соединения.

Кроме того, сварочные процессы в значительной степени определяют эксплуатационные свойства конструкции. Вопросы точности изготовления сварных конструкций основаны на знании закономерностей образования деформаций и напряжений при сварке. Эксплуатационные свойства сварных конструкций, т. е. степень соответствия механических, физических и химических свойств условиям и требованиям эксплуатации, также определяются термодеформационными процессами и превращениями в металлах при сварке.

1.3.3.1 Термодеформационные процессы при сварке

1.3.3.1.1 Понятие о сварочных деформациях и напряжениях

При равномерном нагреве материала происходит его свободное расширение без возникновения напряжений. Если же осуществляется неравномерный нагрев тела, то связи нагретых участков с ненагретыми препятствуют свободному расширению. Вследствие этого в теле возникают температурные собственные напряжения, существующие при отсутствии приложенных к нему внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, принято называть временными напряжениями. Временные напряжения существуют в теле в процессе сварки на всех стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 19σ = f(ε); 5,6 – соответственно принимаемый и фактический вид зависимости σ_т = f(T)

1)все сечения нагруженного элемента (пластины) перемещаются плоскопараллельно (гипотеза плоских сечений, рис.19, а);

2)диаграмма σ = f(ε) имеет вид диаграммы Прандтля (рис. 19, б);

3)зависимость σ = f(T) имеет вид, 5 (рис. 19, в).

Рассмотрим два случая нагрева пластины тепловым источником, движущимся вдоль ее продольной оси:

1)максимальная температура нагрева менее 773К. Представим пластину в виде отдельных волокон. Каждое из этих волокон должно получить приращение длины в зависимости от температуры нагрева (Δl = αΔT), а концы волокон должны были бы расположиться по кривой, являющейся кривой распределения температур. Согласно допущению 1 пластина должна удлиниться на ΔL = αΤ_пл,ср. Средняя температура может быть определена путем интегрирования кривой А. Средние волокна должны были бы получить большее удлинение, но периферийные, менее нагретые, это удлинение сдерживают. Следовательно, в центральной области возникают сжимающие напряжения, а в периферийных – растягивающие. При охлаждении происходит возврат к первоначальному состоянию, и, т.к. напряжения носят упругий характер, никаких остаточных напряжений и деформаций не возникает.

2)максимальная температура нагрева более 873К. При нагреве происходит то же, что и в первом случае. Однако в центральной зоне, где температура больше 873К, и следовательно, предел текучести равен нулю, металл получит пластическую деформацию укорочения. При охлаждении периферийные области, как менее нагретые, охлаждаются до начальной температуры, в то время как центральные области все еще продолжают охлаждаться. Но так как они при нагреве получили пластическую деформацию укорочения, а край пластины перемещается плоскопараллельно, центральная область окажется растянутой, а периферийные будут сжаты. Таким образом, в пластине появятся остаточные сварочные напряжения и соответствующие им остаточные сварочные деформации.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, подразделяют в зависимости от объема их взаимного уравновешивания на:

1)напряжения первого рода, уравновешенные макрообъемах;

2)напряжения второго рода, уравновешенные в объемах одного илинескольких зерен;

3)напряжения третьего рода, уравновешенные в микрообъемах, соизмеримых с размером кристаллической решетки.

Собственные напряжения подразделяют в зависимости от направления действия на:

1)одноосные, или линейные;

2)двухосные или плоскостные;

3)трехосные или объемные.

В элементах сварных конструкций могут возни двух- или трехосные напряжения в зависимости от формы и размеров свариваемых элементов. Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называют продольными и обозначают σ_х. Напряжения, действующие в плоскости соединяемых элементов перпендикулярно оси шва, называют поперечными и обозначают σ_y. Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости соединяемых элементов, называют напряжениями по толщине сварного соединения и обозначают σ_z . Наряду с нормальными компонентами в сварных соединениях могут действовать соответствующие касательные напряжения τ_ху , τ_yz , τ_zx .

Деформации, возникающие при сварке, обозначаются аналогично напряжениям. Различают нормальные компоненты сварочных деформаций ε_х, ε_y , ε_z и сдвиговые γ_ху , γ_уz , γ_zx. Сварочные деформации в общем случае определяют изменение линейных и угловых размеров тела и характеризуют состояние отдельных участков тела. Основные причины, вызывающие появление деформации при сварке, заключаются в неравномерном нагреве, структурных превращениях и упругопластическом деформировании. Поэтому необходимо различать следующие составляющие сварочных деформаций:

1)свободная деформация, вызванная изменением температуры и структурными превращениями:

ε_св = αΔT

где α —коэффициент линейного расширения металла, 1/К; ΔT — изменение температуры точки тела, К;

2)собственные, или так называемые внутренние деформации (ε, γ), состоящие из упругих ε_упр , γ_упр и пластических ε_пл , γ_пл деформаций;

3)наблюдаемые в процессе сварки деформации ε_н ,γ_н , характеризующие изменение линейных и угловых размеров тела, которые можно зарегистрировать непосредственно измерительными приборами. Эти деформации определяются суммой свободных температурных и собственных деформаций

ε_н = ε_св + ε_упр + ε_пл

γ_н = γ_упр + γ_пл

Эти уравнения могут быть записаны применительно ко всем компонентам деформаций для соответствующих координат. Если в рассматриваемый момент времени в теле уже были предварительные (начальные) деформации ε_нач, γ_нач, то уравнения преобразуются к следующему виду:

ε_н = ε_св + ε_упр + ε_пл + ε_нач

γ_н = γ_упр + γ_пл + γ_нач

Напряжения при сварке однозначно определяются значениями упругих деформаций по следующим формулам:

σ_x= [ε_x,упр + ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

σ_y= [ε_y,упр + ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

σ_z= [ε_z,упр + ε_x,упр + ε_y,упр + ε_z,упр)]

τ_xy = Gγ_{xy,упр
,}τ_yz = Gγ_{yz,упр
,}τ_zx = Gγ_zx,упр

1.3.3.1.2 Методы определения остаточных деформаций и напряжений

Существующие методы определения остаточных напряжений обычно разделяют на механические и физические. Механические методы основаны на принципе упругой разгрузки объема металла при его освобождении от остаточных напряжений путем разгрузки. Измеряя деформации, возникающие при разгрузе можно вычислить остаточные напряжения по формулам теории упругости. В зависимости от расположения измеряемых баз механическими методами можно определить одно-, двух- и трехосные остаточные напряжения.

Физические методы, в отличие от механических, не связаны с обязательным разрушением металла для определения остаточных напряжений. Они основаны на определении изменения свойств металла под влиянием остаточных напряжений. Если же изменение свойств металла в шве и околошовной зоне вызвано совокупным воздействием физико-химических процессов при сварке и остаточных напряжений, то результаты измерений физическими методами не однозначно характеризуют остаточные напряжения. Ниже перечисляются наиболее распространенные из физических методов, которые могут быть применены в отдельных случаях при определении остаточных сварочных напряжений.

Магнитоупругий метод определения остаточных напряжений основан на зависимости магнитной проницаемости объема металла от значения действующего в данном объеме остаточного напряжения. Этот метод можно использовать лишь для металлов, обладающих магнитными свойствами. Достоверные результаты получают при измерении остаточных одноосных напряжений в основном металле сварного соединения. Применение этого метода для определения остаточных напряжений в шве и околошовной зоне может приводить к заметным погрешностям. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость в шве и околошовной зоне после сварки изменяется по сравнению с ее значением до сварки не только под действием возникших остаточных напряжений, но и вследствие изменения химического состава шва, роста зерна, изменения структуры околошовной зоны и других явлений.

Ультразвуковой метод определения сварочных остаточных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния в них. Измеряют скорости распространения ультразвука на отдельном участке металла до сварки и после сварки и по изменению скорости судят о значении остаточного напряжения. При измерении остаточных напряжений в шве и околошовной зоне неоднородность свойств может приводить к погрешностям результатов. Положительным свойством данного метода, так же как магнитоупругого, следует считать мобильность проведения экспериментов, не требующих больших подготовительных работ.

Рентгеновские методы исследования остаточных напряжений основаны на определении расстояния между кристаллографическими плоскостями, т.е. деформации кристаллографической решетки, с помощью измерения угла отражения луча. Остаточные напряжения этим методом можно определить с невысокой точностью и только в тонком поверхностном слое. Для рентгеновских методов исследования остаточных напряжений характерны большая трудоемкость и высокая стоимость проведения эксперимента.

Метод определения остаточных напряжений на основе регистрации твердости используют при исследовании поверхностных напряжений. Разработанные физические основы метода устанавливают однозначное влияние одно- и двухосных напряжений на изменение твердости поверхностного слоя. Для участков сварного соединения, претерпевших высокотемпературную пластическую деформацию в процессе сварки, т.е. для шва и околошовной зоны, этот метод измерения остаточных напряжений приводит к погрешностям.

1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов

При многопроходной сварке пластин встык в общем случае (рис. 20, а) возникают остаточные напряжения – продольные σ_x, поперечные σ_y и в направлении толщины σ_z. Однако при толщинах δ<40–80мм сопротивление усадке металла по толщине незначительное, и поэтому напряжения σ_z малы. Формирование продольных напряжений σ_x при укладке каждого очередного валика многослойного шва качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют значение остаточных напряжений σ_x, и поэтому их распределение по толщине можно считать равномерным (рис. 20, б).

Формирование поперечных напряжений σ_y происходит вследствие поперечной усадки укладываемого валика и под сильным воздействием поперечной усадки последующих валиков. В связи с этим распределение напряжений σ_y по толщине отличается значительной неравномерностью.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 20σ_xи σ_у по толщине шва

_n (рис. 20, а) в результате поперечной усадки в нем возникают остаточные поперечные напряжения растяжения. Нижележащие участки металла шва оказывают сопротивление усадке слоя n, поэтому в них возникают сжимающие поперечные напряжения. Кроме этого, без закрепления пластин происходит угловая деформация, вызывающая пластические деформации удлинения ε_y и соответственно поперечные напряжения растяжения σ_y в нижних слоях наплавленного металла. Совокупное воздействие указанных факторов приводит к неравномерному распределению поперечных напряжений (кривая 1 на рис. 20, в). На поверхности шва растягивающие напряжения достигают 0,5σ_т и более. В корне шва остаточные растягивающие напряжения весьма значительны, они могут быть на уровне временного сопротивления материала σ_в. Если сварка пластин осуществляется в приспособлении, препятствующем возникновению угловых деформаций, то в корне шва возникают сжимающие напряжения (кривая 2 на рис. 20, б). При других схемах закрепления пластин, частично препятствующих угловому повороту, возможны эпюры распределения напряжений, промежуточные между кривыми 1 и 2 на рис. 20, в.

1.3.3.2 Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва

1.3.3.2.1 Понятие свариваемости

Монолитность сварного соединения при сварке обеспечивается образованием межатомных и межмолекулярных связей между частицами соединяемых материалов на поверхности их контакта.

Различают две группы межатомных и межмолекулярных связей, имеющих электрическую природу:

1)физические (ван-дер-ваальсовские);

2)химические (ионная, ковалентная, металлическая, водородная, донорно-акцепторная и их сочетания).

Прочность химических связей (энергия, требуемая для разъединения вещества на отдельные молекулы, атомы или ионы) составляет десятки и сотни килоджоулей, а физических – доли и единицы килоджоуля. В результате сварки образуются соединения с прочными химическими связями.

При сварке в процессе образования химических связей свариваемые материалы подвергаются механическому, физическому или химическому воздействию. Явления, сопровождающие образование химических связей, называются сварочными процессами.

Сварочные процессы, характерные для сварки металлов, можно условно разделить на три группы:

1)тепловые процессы, включающие нагрев, плавление и охлаждение металлов;

2)термомеханические процессы, заключающиеся в пластическом деформировании металла с одновременным воздействием высокой температуры;

3)физико-химические процессы, протекающие в твердом и жидком металле: фазовые превращения, растворение и выделение веществ из раствора, диссоциация или образование химических соединений, диффузия, обменные реакции между контактирующими фазами и т. д.

Сварочные процессы определяют технологическую прочность металла шва и зоны термического влияния, т.е. стойкость металла сварного соединения против локальных разрушений в процессе изготовления (сопротивляемость образованию разного рода трещин). Кроме того, они в значительной мере определяют эксплуатационную прочность, работоспособность сварного соединения — степень соответствия его механических, физических и химических свойств требованиям эксплуатации.

Способность соединяемых металлов образовывать при сварке качественное сварное соединение оценивают их свариваемостью. Свариваемость – комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Основные критерии свариваемости следующие:

1)окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

2)сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

3)сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

4)чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

5)чувствительность к образованию пор;

6)соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям; к таким свойствам относятся: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость и др.

Различают физическую и технологическую свариваемость. Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени. Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газон, от конструктивных особенностей свариваемого изделия и условий его последующей эксплуатации.

1.3.3.2.2 Общие положения теории кристаллизации

Кристаллизация - переход из жидкой в твердую фазу – состоит из двух элементарных одновременно протекающих процессов:

1)образования зародышей, или центров кристаллизации;

2)роста кристаллитов из этих центров.

В зависимости от способа образования зародышей различают два вида кристаллизации:

1)гомогенная. В чистом от примесей жидком металле при охлаждении зародыши образуются из наиболее крупных фазовых флуктуаций жидкой фазы, выделение которых связано с флуктуациями энергии;

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 21

Т_пл) меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, а при температуре ниже температуры плавления более устойчиво вещество в твердом состоянии.

Температура Т_пл , при которой равновесно как твердое, так и жидкое состояние, есть равновесная, или теоретическая температура кристаллизации. Затвердевания металла при этой температуре еще не происходит. Для кристаллизации необходимо образование зародышей и их рост в результате присоединения частиц контактирующей с ними жидкости. Это достигается при температуре ниже критической, т.е. при переохлаждении. Температура Т_ф.к. , при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Степенью переохлаждения называют разницу между Т_пл и Т_ф.к.. В результате кристаллизации выделяется некоторая энергия – теплота кристаллизации, численно равная скрытой теплоте плавления. Эта теплота отводится через границу раздела фаз в более холодное твердое тело. Поверхность раздела фаз при гомогенном механизме кристаллизации создает энергетический барьер , для преодоления которого необходима флуктуация энергии ΔF_к. поэтому энергетически более выгодно возникновение новых зародышей твердой фазы преимущественно на готовых межфазных поверхностях .

Такими поверхностями при гетерогенной кристаллизации могут быть поверхности твердых частиц, всегда существующие в технических расплавах. Наилучшие очаги гетерогенной кристаллизации – частицы или поверхности того же металла, что и расплав. В условиях сварочной ванны – это зерна основного металла, ограничивающие сварочную ванну. Оплавленные зерна основного металла становятся зародышевыми центрами кристаллизации, из которых начинают расти первичные кристаллы шва. Они растут нормально к поверхности охлаждения вглубь жидкого металла ванны, в направлении, обратном теплоотводу (рис. 22). На кристаллизацию расплавленного металла сварочной ванны оказывают воздействие следующие условия:

1)наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен основного металла на границе сплавления;

2)одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную ванну движущимся источником сварочной энергии, скорость движения которого определяет скорость движения фронта кристаллизации;

3)малый объем и непродолжительность существования сварочной ванны, большая средняя скорость роста кристаллитов;

4)значительный градиент температуры в ванне, большой перегрев металла в центре шва;

5)интенсивное перемешивание металла ванны;

6)воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 23

кристаллизации сплавов происходит диффузионное перераспределение примесей между жидкой и твердой фазами. Переохлаждение, связанное с перераспределением примесей, принято называть концентрационным переохлаждением. Увеличение концентрации примеси перед фронтом кристаллизации приводит к уменьшению температуры ликвидуса (рис. 23). При этом возникает область концентрационного переохлаждения ΔT, поскольку из-за изменения состава 1 этого слоя меняется и температура кристаллизации 2. Фактическая температура расплава 3, зависящая от сложившихся температурных условий кристаллизации, ниже равновесной температуры 2, что вызывает переохлаждение 4 и обеспечивает возможность кристаллизации. Протяженность участка концентрационного переохлаждения δ зависит от скорости кристаллизации и интенсивности протекания диффузионных процессов в жидкой фазе:

где D_ж – коэффициент диффузии примеси в жидкости, v_кр – скорость кристаллизации.

Концентрационное переохлаждение 4 характеризуется протяженностью зоны b, максимальным значением ΔT_max и расстоянием m от фронта кристаллизации до участка максимального переохлаждения и возрастает с понижением градиента фактических температур T_ф=

Влияние скорости кристаллизации и градиента температур на концентрационное переохлаждение обобщает критерий концентрационного переохлаждения:

Φ =

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 24

b₁, b₂, b₃, вызванной различными распределениями температуры в жидкой фазе Т_ф1, Т_ф2, Т_ф3 (критерии концентрационного переохлаждения, соответственно Ф₁, Ф₂, Ф₃). Условием, определяющим характер роста кристалла и тип первичной структуры, будет отношение двух параметров: Ф и АС₀/k(А – экспериментально определяемая постоянная для данного С₀, зависящая от теплофизических свойств, k – коэффициент распределения примеси).

При малой протяженности зоны концентрационного переохлаждения (b₁) Ф₁>АС₀/k. В этом случае будет образовываться ячеистая первичная структура (рис. 25, а). Она состоит из ряда параллельных элементов, имеющих форму стержней и ориентированных в сторону кристаллизации. Стержни в поперечном сечении имеют форму шестиугольников. Верхняя свободная поверхность кристаллов, обладающих такой структурой, волнистая.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 25
а – ячеистая структура; б – ячеисто-дендритная структура; в – дендритная структура

b₂, когда Ф₂

АС₀/k, образуется ячеисто-дендритная первичная структура (рис. 25, б). Отдельная ячейка, оказавшись впереди своих соседей, начинает расти и развиваться быстрее. По мере развития этого процесса выступ превращается в иглу, на игле образуются ветви, а они, в свою очередь, служат основой для следующих ветвей. Таким образом, образовавшаяся структура является ветвистой.

Если протяженность зоны концентрационного переохлаждения b₃ достаточно велика и переохлаждение больше некоторой критической величины, при которой еще происходит образование ячеистой структуры, то на всех ячейках начинают образовываться ветви, и они превращаются в дендриты (рис. 25, в). Условием образования дендритной первичной структуры будет неравенство Ф₃<АС₀/k. Дендриты сплавов имеют субструктуру, напоминающую ячеистую. Образование такой структуры на дендритах, растущих в расплаве, имеющем примеси, связано с тем, что растущая ветвь дендрита отталкивает атомы примеси так же, как и фронт кристаллизации. Скопление примесей и концентрационное переохлаждение приводят к образованию ячеек на ветвях дендритов. С увеличением переохлаждения размеры дендритов и их разветвленность возрастают.

Таким образом, вероятность образования разветвленной дендритной структуры повышается с уменьшением градиента температуры T_ф в жидкости перед фронтом кристаллизации, с увеличением скорости кристаллизации v_кр и содержания примесей С₀, а также с уменьшением коэффициента распределения примеси k.

1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 26

При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость сварки и др.) столбчатые кристаллы могут расти до встречи в области центральной линии шва (при рассмотрении поперечного сечения шва, рис. 26, б). При большой ванне и ее медленной кристаллизации в центральной части ванны образуется небольшая зона равновесных кристаллов, возникших в условиях естественной кристаллизации. При сварке на охлаждаемой металлической подкладке, на этой подкладке кристаллизуется тонкий слой мелких разориентированных кристаллов, становящихся зародышами для растущих на них столбчатых кристаллов. При многослойной сварке кристаллы каждого предыдущего слоя становятся основой для кристаллизации последующих слоев (рис. 26, в). Однако при многослойной сварке скорость охлаждения каждого слоя обычно больше скорости охлаждения ванны при однопроходной сварке металла такой же толщины, поэтому кристаллическое строение отдельных слоев и всего шва в целом оказывается более мелким и плотным, с менее выраженной ликвацией примесей по зонам (дендритная ликвация – различие в содержании примесей в металле осей дендритов и межосных участков).

1.3.3.2.4 Химическая неоднородность сварного соединения и ее виды

Говоря о ликвации примесей, необходимо упомянуть еще об одном явлении – прерывности кристаллизации и ликвации примесей по слоям кристаллизации. Замечено, что рост кристаллов идет не непрерывно, а с периодическими остановками. Явление это связывается с тепловыми эффектами (выделением теплоты) при переходе из жидкого состояния в твердое и другими обстоятельствами. При таком прерывистом росте слоев сначала застывает наиболее чистый металл, а затем металл с большим содержанием примесей. Подобная неоднородность может привести как к снижению прочностных характеристик, так и ухудшению показателей свариваемости.

В сварных швах различают следующие виды неоднородности

1)внутрикристаллитную;

2)межкристаллитную;

3)неоднородность в зоне сплавления;

4)зернограничную;

5)внутризеренную.

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 27

Внутрикристаллитная неоднородность проявляется как различное содержание примесей в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (точки 1, 2, 3, 4 на рис. 27). Степень неоднородности такого вида может быть различна и определяется условиями кристаллизации сварного шва. Для практики наибольший интерес представляет распределение примесей в последней стадии кристаллизации, т.к. именно это определяет температуру неравновесного солидуса и такие важные технологические характеристики, как температурный интервал хрупкости (ТИХ) и пластичность металла шва в процессе кристаллизации. Выяснено, что с уменьшением равновесного коэффициента распределения k₀ степень неоднородности увеличивается.

Межкристаллитная химическая неоднородность определяется как отношение концентраций примеси в пограничной зоне и в центре кристаллита (С₅/С₂). При ячеистом и дендритном типе кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые или междендритные пространства. Таким образом, большая часть примесей захватывается боковыми гранями или ветвями.

Рекристаллизационные процессы, происходящие при сварке в околошовной зоне, как правило, сопровождаются перераспределением примесей, что иногда приводит к химической неоднородности, особенно на границе с жидким металлом, в зоне полуоплавленных зерен. Процессы, связанные с перераспределением примесей в твердом состоянии, в отличие от ликвационных, чаще называют сегрегационными, а образующиеся места скопления примесей – сегрегациями. В случае, если концентрация примеси на границе зерна превышает предел растворимости, возможно образование в пограничной зоне легкоплавких эвтектических фаз или даже химических соединений.

Внутризеренную химическую неоднородность обычно связывают с наличием внутри зерна инородных частиц – карбидов, интерметаллидов, фазовых включений. При воздействии сварочного цикла они могут не раствориться вследствие небольшого времени нахождения при высоких температурах и остаться в зоне термического влияния (ЗТВ). Кроме того, в процессе охлаждения из твердых растворов могут выпадать инородные фазы, которые приводят к увеличению внутризеренной химической неоднородности. Наиболее вероятное место расположения этих включений – зоны упругого искажения кристаллических решеток и места скопления дефектов физического строения, т.к. эти зоны обладают повышенным уровнем потенциальной энергии, а сосредоточение в них примесей приводит к снижению внутренней энергии и повышению степени равновесности всей системы.

Химическая неоднородность сварного шва может быть следствием недостаточной технологической культуры выполнения работ или самой физической природы процесса формирования сварного соединения и свойств свариваемого металла. В первом случае, как правило, существует макронеоднородность химического состава по длине шва или в отдельных его объемах, вызванная колебаниями в составе свариваемых материалов – покрытии, флюсе, – а также нестабильностью режима и технологическими нарушениями.

Зональная или линейная кристаллизация свойственна процессу кристаллизации с линейными фронтами. При сварке зональная ликвация проявляется весьма слабо и только при малой скорости охлаждения (например, сварка с предварительным подогревом). Наиболее вероятное место появления зональной ликвации – ось шва, продольные границы, образованные встречей фронтов кристаллизации. Зональная ликвация может существенно ослаблять ось шва и вызывает ряд нежелательных эффектов, в частности понижает пластические и прочностные характеристики металла шва.

Межкристаллитная, или межзеренная ликвация характеризуется скоплением примесей у межзеренных границ и проявляется в случае концентрационного переохлаждения. Концентрационное уплотнение, вызывая ячеистую кристаллизацию, одновременно приводит и к появлению ячеистой ликвации, которая может быть весьма значительной (концентрация примеси может измениться в 10 и более раз). Особенно сильно явление ликвации выражено в случае ячеисто-дендритных и дендритных структур при продвижении фронта кристаллизации в направлении затвердевания: размер дендритов увеличивается, количество жидкости в междендритном пространстве уменьшается, а концентрация примеси в ней вырастает настолько, что может достигнуть эвтектического состава. В этом случае в междендритном пространстве могут образовываться равноосные зерна эвтектики.

Внутрикристаллитная ликвация обусловлена различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах. Чем больше коэффициент распределения k₀ будет отличаться от единицы, тем сильнее будет различаться состав кристаллитов, затвердевающих первыми, от последующих.

Рассмотренные ранее процессы возникновения химической неоднородности характерны, в основном, для малой скорости охлаждения или применительно к сварке с мягким режимом. Скорость охлаждения металла шва при сварке с большим значением погонной энергии q/v обуславливает достаточно интенсивное протекание диффузионных процессов, что приводит к выравниванию состава и снижает внутрикристаллическую ликвацию. При увеличении скорости охлаждения диффузионные процессы пройти не успевают, и степень внутрикристаллической ликвации увеличивается вплоть до максимума. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения еще больше подавляет диффузионные процессы, однако степень внутрикристаллической ликвации уменьшается вследствие изменения самого характера кристаллизации, приближающем его к бездиффузионному процессу.

1.3.3.2.5 Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке

Рис.29 Механизм деформирования сплава в жидкотвердом (а) и твердожидком (б) состояниях

Рис.SEQ Рис._ * ARABIC 28σ и пластичности Π металлов и сплавов при их нагреве до T_л

изменение прочности σ и пластичности П сплавов при высоких температурах. В области нагрева до температур, близких к температуре равновесного солидуса (Тс) прочность и пластичность сплавов резко падают. Пластичность остается на весьма низком уровне в некотором интервале температур, а затем опять повышается. Объяснение такого неоднозначного явления в следующем. Исследуемый металл (сплав), нагретый до расплавления, охлаждается, и, начиная с температуры Т_л , в нем образуются зародыши твердой фазы. До тех пор, пока количество твердой фазы невелико, металл находится в жидкотвердом состоянии (рис. 29, а), и пластичность расплава практически не отличается от пластичности жидкости, т.к. кристаллы металла свободно плавают в жидкости, не ограничивая ее способности перетекать и занимать любую форму. Прочность такого жидкотвердого агрегата практически равна нулю. Начиная с некоторой температуры, называемой температурой верхней границы интервала хрупкости (Т_в.г.) металл переходит в стадию твердожидкого состояния, характеризующуюся таким увеличением количества твердой фазы, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается (рис. 29, б). При деформировании происходит заклинивание зерен, и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластического деформирования самих зерен либо смещения их относительно друг друга. Обычно оба этих процесса протекают одновременно. Деформация такого двухфазного агрегата при условии сохранения сплошности в направлении действия сил Р возможна только при смятии отдельных точек контакта зерен, поворота прилегающих зерен и их деформации. В ранней стадии такого деформирования не исключена возможность перетекания жидкости в межзеренное пространство. В случае если циркуляция жидкости между зернами нарушена, необходимо, чтобы существующие между ними жидкие прослойки сами воспринимали растягивающие напряжения. Вероятность такого явления в данной стадии затвердевания велика, т.к. сопротивление разрушению малых объемов жидкости может быть весьма значительным. Оно зависит от поверхностного натяжения, температуры и вязкости жидкости. Однако прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше, поэтому разрушение, если оно наступает, происходит по границам зерен, т.е. имеет межкристаллический характер. Пластичность металла, находящегося на такой стадии затвердевания, очень мала – доли процента. В то же время сопротивление пластическим деформациям с момента возникновения явления заклинивания зерен и ограничения циркуляции жидкой фазы начинает возрастать. Если значение деформации металла, находящегося в таком состоянии, превысит его деформационную способность, произойдет хрупкое разрушение по жидким прослойкам. С дальнейшим снижением температуры возрастает объемная прочность жидкости, уменьшается ее объем, увеличивается число контактов между зернами. Одновременно с этим повышается и прочность самих границ зерен. При некоторой температуре границы упрочняются настолько, что разрушение начинает происходить не по ним, а по телу самих зерен (точка А рис. 28). Эта температура названа эквикохезивной. При этом пластические свойства металла возрастают, т.к. деформация уже не концентрируется по малым прослойкам вокруг зерен, а воспринимается всем агрегатом в достаточной степени равномерно. Температура резкого возрастания пластических свойств находится ниже температуры равновесного солидуса и называется нижней границей интервала хрупкости (Т_н.г.). Интервал температур, заключенной между верхней и нижней границами хрупкого состояния металла называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ).

Кривая пластичности может иметь еще один минимум, расположенный в области более низких температур, в частности, в том случае, когда при высоких температурах сварочного цикла происходит значительное перераспределение примесей из тела зерна к его границам и образуются новые фазы эвтектического характера. У однофазных сплавов могут образовываться новые границы зерен с более высоким уровнем физической или химической неоднородности, приводящей к понижению прочностных и пластических свойств. Иногда первый и второй ТИХ расположены так близко, что могут сливаться, образуя один ТИХ.

1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области ТИХ в результате воздействия термодеформационного цикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выраженным крупнокристаллическим строением с повышенной локальной концентрацией легкоплавких фаз. Согласно общепринятым представлениям они возникают в том случае, если интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях. Способность сварного соединения без разрушения воспринимать деформации, вызванные термодеформацинным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности.

Теория технологической прочности, разработанная Н.Н.Прохоровым, гласит, что сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется тремя основными факторами:

1)пластичностью металла в ТИХ;

2)значением интервала ТИХ;

Рис.30 Графическая иллюстрация иеории технологической прочности при кристаллизации;
(Π – пластичность, e – темп нарастания деформаций)

Рассматривая графическое изображение вышеприведенных зависимостей, можно увидеть, что:

1)на рис. 30, а, показано влияние минимальной величины пластичности в ТИХ на сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин. При этом принято, что деформационная способность сплава определяется его пластичностью, т.к. при температурах в области Тс упругой деформацией можно пренебречь ввиду ее незначительности. При тех значениях ТИХ и темпа деформации, сплав, обладающий большей пластичностью (П₃) трещины не даст, т.к. возникающий темп деформаций (кривая е) недостаточен для исчерпания его пластичности. У сплава, пластичность которого характеризуется кривой 2 , в момент, определяемый точкой А, значения пластичности и возникающей деформации равны – кривые касаются. Это критический случай. В сплаве, обладающем пластичностью в ТИХ, характеризуемой кривой 1, при том же темпе деформаций е и температуре, соответствующей точке Б произойдет исчерпание пластических свойств и образуется трещина. Таким образом, чем больше пластичность в ТИХ, тем при прочих равных условиях меньше вероятность образования горячей трещины;

2)на рис. 30, б) представлен случай, когда сплавы при одинаковой минимальной пластичности отличаются протяженностью ТИХ. При этом принято, что характер изменения пластичности в ТИХ у всех трех сплавов одинаков и пластичность остается неизменной на всем протяжении ТИХ. В этом случае, чем больше протяженность ТИХ, тем больше вероятность возникновения трещины;

3)на рис. 30, в) рассмотрено влияние темпа деформации при одинаковых значениях пластичности П и ТИХ. В сварном шве, при кристаллизации которого возникает темп деформации, характеризуемый кривой 1, при температуре Т₁ появится трещина, т.к. в этот момент значение деформации превысит значение пластичности соединения в ТИХ. Для соединения, темп деформаций которого обозначен кривой 2, точка касания при температуре _Т2 будет критической. Сплав, характеризуемый кривой 3, трещины не образует; более того он имеет еще некоторый запас пластичности ΔП. Т.о., чем меньше темп деформации в ТИХ, тем меньше вероятность образования горячих трещин.

Значения пластичности П и характер ее изменения в ТИХ зависят от химического состава сплава, схемы кристаллизации сварного шва, развития физической и химической неоднородности и др. факторов, значение и степень влияния которых существенно зависят от методов, приемов сварки, применяемых режимов и т.п. Значения ТИХ, так же, как и значение минимальной пластичности, зависят от многих факторов, поддающихся управлению. Главные из них – химический состав свариваемых материалов и применяемых присадочных проволок, покрытия электродов, флюсы, режим сварки, определяющий форму шва, схему кристаллизации и процессы структурообразования в металле шва и околошовной зоне, размер зерна, характер и интенсивность протекания ликвационных и сегрегационных процессов и др. Темп деформации, характеризуемый наклоном кривой е к оси температур и кривизной самой кривой, зависят от усадки сплава и деформации в околошовной зоне. Деформация в сварном шве, обусловленная кристаллизационными и структурными процессами при остывании, распределяется по сечению весьма неравномерно: участки шва с более высокими температурами и, вследствие этого, менее прочные деформируются сильнее, чем участки, прилегающие к зоне сплавления и охлаждающиеся более интенсивно. Такое неравномерное распределение деформаций в сварном шве и ТИХ иногда называют концентрацией деформаций.

Горячие трещины по температуре возникновения, подразделяют на:

2)подсолидусные, температура образования которых ниже температуры процесса окончания затвердевания.

По расположению в сварном соединении различают:

Рис.31 Характерные места расположения горячих трещин; 1 – продольная по центру шва; 2 – по границам кристаллитов; 3 – поперечные в зоне сплавления; 4 – продольные в зоне сплавления

2)в зоне сплавления;

3)в околошовной зоне.

Также в зависимости от ориентации трещин относительно направления сварки их делят на:

1)продольные;

2)поперечные.

Во всех случаях вероятность образования горячих трещин определяется соотношением пластических свойств соединений в ТИХ и темпом деформаций. Однако степень влияния отдельных технологических и металлургических факторов для каждого вида может существенно различаться вследствие неодинаковости условий формирования физической и химической неоднородности в различных зонах сварного соединения. Особенно следует отметить трещины повторного нагрева, образующиеся при многослойной сварке в ранее наложенных валиках в результате термодеформационного воздействия от сварки последующих слоев.

Кристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве и реже в зоне полуоплавленных зерен. Подсолидусные трещины возникают в интервале температур второго минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса. Сварной шов из-за неравновесного процесса кристаллизации пересыщен дефектами кристаллической решетки, в т.ч. и вакансиями, которые при растяжении активно перемещаются к границам, расположенным перпендикулярно действующим усилиям. Такие скопления вакансий обычно сильно ослабляют границы и создают предпосылки для возникновения зародышей разрушения. Необходимые условия для возникновения разрушения – межзеренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки. О наличии такого вида деформации свидетельствует смещение кристаллизационных слоев, наблюдаемое на поверхности сварных швов. Смещения нередко сопровождаются значительной пластической деформацией в пограничных областях. Если по границам зерен существует скопление вакансий, микропор, примесей (особенно примесей внедрения), поверхностная энергия, необходимая для зарождения трещины, при межзеренном проскальзывании уменьшается. В том случае, если граничная диффузия проходит энергично, то полости, образующиеся по границам зерен, быстро заполняются и межзеренного разрушения не происходит.

Преимущественные места зарождения подсолидусных трещин – ослабленные включениями и несовершенствами строения границы кристаллитов, где межзеренные проскальзывания наиболее ярко выражены. Чаще всего это участки, примыкающие к зоне сплавления, и поперечные границы зерен в центре шва. С увеличением размеров зерна увеличивается и проскальзывание, а следовательно, вероятность образования горячей трещины. Добавки в металл легирующих элементов, как правило, увеличивают сопротивление движению вакансий и дислокаций к границам зерен и снижают вероятность образования горячих трещин.

Случаи возникновения горячих трещин в процессе изготовления сварных конструкций привели к появлению множества методов оценки сопротивляемости применяемых сварочных материалов их образованию. Их можно разделить на следующие основные группы:

1)методы, позволяющие получать сравнительную количественную оценку применяемых сварочных материалов. Как правило, они предусматривают принудительное деформирование сварных соединений по заданной программе в процессе их формирования;

2)технологические пробы различной жесткости. В этом случае величина деформации в ТИХ задается типом опытной свариваемой конструкции, ее размерами, последовательностью выполнения швов и т.п.;

3)косвенные методы оценки технологической прочности по результатам механических испытаний образцов, проводимых при нагреве или охлаждении их по заданной программе, имитирующей сварочный термический цикл.

Для повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин необходимо в процессе производства стремиться к такому их сочетанию свойств в ТИХ, технологических приемов и способов сварки, а также такому конструктивному оформлению узлов, которое обеспечивали бы при минимальных значениях деформации формоизменения максимальный уровень показателя α_п–α_св(α_п – предельный темп деформации, характеризующий пластичность систем в ТИХ, α_св =

Все известные способы повышения технологической прочности в конечном итоге сводятся к следующим основным:

1)изменение химического состава металла шва;

2)выбор оптимального режима сварки;

3)применение рационального типа конструкции и порядка наложения сварных швов.

Химический состав металла шва – один из главных факторов, в значительной мере определяющих значения ТИХ, δ_min и в значительной степени интенсивность нарастания деформации усадки. Сварка плавлением представляет большие возможности регулирования состава шва, а в некоторой части – и состава зоны сплавления. При сварке с применением присадочного материала (РДС, сварке под слоем флюса, в аргоне и др.) химический состав металла шва и особенности его кристаллизации определяются долей участия основного и присадочного металла и схемой кристаллизации, зависящей как от условий затвердевания и химического состава, так и от структуры основного металла, служащего подложкой, на которой кристаллизуется шов.

Эффективным средством повышения технологической прочности является снижение содержания вредных примесей (серы, фосфора, по возможности углерода), а также дополнительное легирование, способствующее связыванию серы и фосфора в тугоплавкие соединения.

Большое влияние оказывает характер структуры, образующейся при кристаллизации. Благоприятной, например, считается дендритная равноосная. Для ее получения прибегают к модифицированию сварных швов редкоземельными, тугоплавкими или поверхностно-активными элементами. Иногда применяется внешнее воздействие на кристаллизующийся металл шва – электромагнитное или ультразвуковое перемешивание, механические колебания ванны в процессе кристаллизации и др. для создания условий, способствующих переходу от плоской схемы кристаллизации к объемной иногда прибегают ко введению в сварочную ванну дополнительного холодного металла в виде проволоки или металлической крупки того же состава, что и свариваемый металл. Введение охлаждающей присадки создает в ванне зону термического переохлаждения и способствует получению объемной схемы кристаллизации. Высокопрочные, высоколегированные стали больше подвержены образованию горячих трещин, чем обычные конструктивные. Это можно объяснить большей направленностью кристаллитной структуры в шве, увеличенной осадкой, многокомпонентным легированием, способствующим образованию эвтектических составляющих по границам зерен. Для повышения технологической прочности таких сплавов, кроме очень жесткого ограничения содержания вредных примесей часто прибегают к дополнительному легированию молибденом, марганцем, вольфрамом, а также внедрением в шов некоторого количества модификаторов, способствующих измельчению структуры. В отдельных случаях технологическую прочность можно повысить изменением фазового состава металла шва.

Влияние режима сварки на сопротивляемость образованию горячих трещин весьма велико вследствие следующих причин: режим сварки представляет собой главный фактор, определяющий форму шва, характер и схему кристаллизации и, кроме того, в значительной мере определяет время пребывания металла шва и околошовной зоны в области высоких температур, при которых происходит не только формирование структуры, но и протекание процессов, приводящих к появлению физической и химической неоднородности. Мягкие режимы способствуют протеканию равновесной кристаллизации, зона столкновения противоположных фронтов кристаллизации выражена слабее, уменьшается концентрация деформаций. В то же время более равновесные условия кристаллизации обеспечивают протекание диффузионных процессов в околошовной зоне и шве, благоприятствуют развитию межзеренной и зональной ликвации. В целом, возникающие деформации воспринимаются кристаллизующимся швом более равномерно. В реальных условиях для уменьшения вероятности образования трещин часто применяют режимы, отличающиеся малыми скоростями и большим током. Иногда рекомендуется предварительный подогрев, однако результаты в этом случае не всегда оказываются положительными, т.к. большое тепловложение при незначительной жесткости конструкции может вызвать дополнительные деформации формоизменения. Из всех параметров режима особенно заметное влияние оказывает скорость сварки. С ее увеличением возрастает длина сварочной ванны, фронт кристаллизации приобретает плоский характер, образуя на оси шва зону срастания кристаллитов. Такой шов малопластичен в ТИХ и, вследствие этого, подвержен образованию продольных трещин в осевой зоне. Также важным является правильное конструирование сварных узлов и грамотно назначенный порядок наложения сварных швов. Все эти факторы определяют значение деформации в ТИХ и поэтому влияют на сопротивляемость сварных соединений образованию горячих трещин, оказывая комплексное влияние как на формирование структуры, ее макро- и микронеоднородность, так и на развитие термодеформационных процессов при сварке.

1.3.3.3 Превращения в металлах при сварке

1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных соединений

Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон (рис. 32), отличающихся химическим составом, макро- и микроструктурой и другими признаками:

1)сварной шов;

2)зону сплавления;

3)зону термического влияния;

4)основной металл.

Сварным швом называется закристаллизовавшийся металл сварочной ванны. Он характеризуется литой микроструктурой металла. Ему присуща первичная микроструктура кристаллизации, тип которой зависит от условий кристаллизации металла шва.

Зона термического влияния (ЗТВ) – участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения. Это часто приводит к тому, что ЗТВ имеет отличную от основного металла вторичную микроструктуру и величину

Рис.32 Характерные зоны сварного соединения, отражающие степень влияния сварочного термического цикла; T_л, T_с – температура ликвидуса и солидуса; T_п – температура начала фазовых и структурных превращений; I - шов; II - зона термического влияния (ЗТВ); III - основной металл;- околошовная зона (ОШЗ); IV - зона сплавления (ЗС)

Основной металл, не претерпевающий изменений в процессе сварки, может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от его макро- и микроструктуры, определяемых способом первичной обработки металла (прокатка, литье, ковка, дефомирование в холодном состоянии) и последующей термической обработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском и др.).

1.3.3.3.2 Виды превращений в металле сварных соединений

В зоне термического влияния в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также в шве при охлаждении получает развитие целый ряд фазовых и структурных превращений.

Под фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают превращения с образованием новых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свойствами и разграниченных с ними поверхностями раздела (межфазными границами). При образовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяется энтропия, теплосодержание, и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности. В связи с этим фазовое превращение происходит с поглощением или выделением теплоты.

При структурных превращениях (переходах II рода) происходит перераспределение дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодержания, скачкообразным - теплоемкости. Они не сопровождаются выделением теплоты.

Особенность фазовых и структурных превращении при сварке по сравнению с термической обработкой заключается в том, что они протекают в неравновесных условиях сварочного термодеформационного цикла (СТДЦ), т. е. в условиях быстрого нагрева и охлаждения и одновременного развития сварочных деформаций и напряжений. Характер превращений зависит от состава сплава, максимальных температур нагрева, а их завершенность — от скоростных и деформационных параметров сварочного цикла.

1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика диффузионного превращения

В металлах и сплавах в твердом состоянии фазовые превращения вызываются полиморфными превращениями, растворением или выделением фаз из твердых растворов в связи с изменением взаимной растворимости компонентов. Движущей силой превращений служит разность свободных энергий (термодинамических потенциалов в случае, если при превращении возникают высокие внутренние давления) исходной и образующихся фаз. При этом могут происходить два отличающихся своим механизмом типа превращений: диффузионное и бездиффузионное (мартенситное).

Диффузионное превращение происходит по механизму «образование зародыша и рост новой фазы». Этот тип превращения подчиняется тем же общим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости. Существуют некоторые особенности, связанные с твердым состоянием исходной и образующейся фаз и относительно низкой температурой превращений. Образование зародышей критических размеров сопровождается увеличением свободной энергии системы, равным 1/3 поверхностной энергии зародышей (остальные две трети компенсируются уменьшением объемной свободной энергии). Возникновение зародышей обеспечивается в результате флуктуационного повышения энергии в отдельных группах атомов. При превращении в сплавах образуются фазы, отличающиеся по составу от исходной, поэтому для образования зародыша необходимо также наличие флуктуации концентрации. Последнее затрудняет образование зародышей новой фазы, особенно если ее состав сильно отличается от исходной. Другой фактор, затрудняющий образование зародыша новой фазы, связан с упругой деформацией фаз, которая обусловлена различием удельных объемов исходной и образующейся фаз. Энергия упругой деформации увеличивает свободную энергию и, подобно поверхностной энергии, вносит положительный вклад в баланс энергии. Критический размер зародышей и работа их образования уменьшаются с увеличением степени переохлаждения (или перегрева) по отношению к равновесной температуре, а также при уменьшении поверхностной энергии зародыша.

С понижением температуры уменьшается подвижность атомов, что затрудняет присоединение атомов друг к другу в процессе образования зародышей критического размера. Таким образом, зависимость скорости образования зародышей от степени переохлаждения будет иметь максимум. С повышением температуры при нагреве выше равновесной подвижность атомов будет возрастать, что обусловливает монотонное нарастание скорости образования зародышей с увеличением степени перегрева. Рост новой фазы происходит за счет исходной путем относительно медленной миграции межфазной границы в результате последовательного перехода атомов через эту границу. Изменение составляющих энергии при росте фазы, аналогичное ее изменениям при образовании зародышей, также обусловливает зависимость скорости линейного роста от степени переохлаждения, имеющую максимум. При этом максимум скорости линейного роста сдвинут в сторону меньших значений переохлаждения по сравнению с максимумом скорости образования зародышей. При данной постоянной температуре процесс протекает изотермически и относительный объем образующейся новой фазы V увеличивается со временем. Общая скорость фазового превращения определяется суммой скоростей зарождения и роста новой фазы. Кинетика фазовых превращений при различных степенях переохлаждения описывается изотермической диаграммой превращения, называемой также С-образной диаграммой превращения (рис. 33). Фазовое превращение в условиях непрерывного охлаждения или нагрева подчиняется тем же основным закономерностям, что и изотермическое превращение. Условно превращение при непрерывном изменении температуры можно рассматривать как серию многочисленных изотермических превращений при последовательно меняющихся температурах. Чем быстрее меняется температура, тем меньше успевает образовываться новой фазы при каждой степени переохлаждения. В результате превращение протекает в диапазоне

Рис.34 Диаграмма анизотермического фазового превращения; w – скорости непрерывного охлаждения; w_кр – критическая скорость охлаждения; T_м.н. и T_м.к. – температура начала и конца мартенситного превращения; штрихпунктирные линии – кривые изотермического превращения

w’’) исходная фаза может претерпевать только частичное фазовое превращение диффузионного типа. При очень высоких скоростях, превышающих критическую (w’>w_кр), фазовое превращение диффузионного типа не успевает начаться, и сплав переохлаждается в область температур, где оно не может развиваться из-за чрезвычайно низкой скорости диффузионных процессов.

1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного превращения

Мартенситное превращение происходит путем совместного (кооперативного) перемещения многих атомов. Результирующее перемещение сводится к тому, что ряд элементарных ячеек исходной фазы как бы однородно деформируются, переходя в ряд элементарных ячеек новой фазы. Мартенситное превращение называют бездиффузионным или сдвиговым.

Превращение начинается и заканчивается при достижении определенных фиксируемых температур Т_м.н. и Т_м.к.. При мартенситном превращении, в отличие от диффузионных, Т_м.н. и Т_м.к. не зависят от скорости охлаждения. При этом превращение начинается сразу после достижения Т_м.н.,т.е. без инкубационного периода. После мартенситного превращения всегда остается некоторое количество исходной фазы, несмотря на охлаждение ниже Т_м.к.. При постоянной температуре в интервале Т_м.н.-Т_м.к. происходит быстрое превращение определенной доли исходной фазы, после чего превращение прекращается. При снижении температуры образовавшиеся ранее участки мартенситной фазы обычно не растут, а образуются ее новые участки. Превращение начинается внезапно и происходит с очень большой скоростью, которая практически не зависит от температуры. Степень превращения зависит от температуры и не увеличивается со временем пребывания при данной температуре.

Мартенсит — метастабильная фаза, для которой характерна высокая плотность дефектов кристаллической решетки, особенно дислокаций. Практически сразу после образования мартенсит начинает претерпевать превращения в направлении достижения более равновесного состояния. Этот процесс называется отпуском. Отпуск представляет собой совокупность фазовых и структурных превращений, которая включает перераспределение растворенных компонентов, распад с выделением метастабильных и стабильных фаз и перегруппировку дефектов кристаллической решетки. В зависимости от диффузионной подвижности атомов растворенного компонента отпуск может протекать при комнатной температуре и особенно ускоряется при нагреве. Отпуск возможен также в период завершения охлаждения в случае, когда скорость охлаждения замедляется. Этот процесс называется самоотпуском.

1.3.3.3.3 Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве

Рис.35 Разделение сварных соединений на зоны, отражающие характер фазовых и структурных превращений; 1 – зона γ⇆α превращений; 1а – участок первичной и вторичной кристаллизации; 1б – участок полной перекристаллизации; 1в – участок неполной перекристаллизации; 2 – зона превращений метастабильного характера; 2а – участок отпуска и рекристаллизации; 2б – участок возврата и старения; T_л, T_н, T_к, T_п, - температура ликвидуса, начала и конца γ→α превращений и начала структурных превращений при нагреве

При нагреве по мере повышения температуры металл претерпевает последовательно целый ряд превращений.

На участке полной перекристаллизации (рис. 35, 1б) в металле проходят процессы аустенитизации, роста зерна и перераспределения легирующих элементов и примесей. Аустенитизация – переход Fe_α→Fe_γ. При нагреве до температур начала аустенитизации сталь получает структуру феррито-перлито-карбидной смеси. Переход в аустенитное состояние представляет собой фазовое превращение диффузионного типа. Превращение начинается на участках перлита. Зародыши аустенита образуются на межфазных поверхностях феррит—цементит. Поскольку на каждом участке перлита возникает несколько зародышей аустенита, превращение Fe_α→Fe_γ приводит к измельчению зерна. При росте зародышей зерен аустенита вместе с перестройкой ОЦК решетки в ГЦК решетку возникает новая кристаллографическая ориентация последней. В результате исчезают границы бывших аустенитных зерен (образовавшихся при предшествующей сварке термической обработке) и образуются новые границы при стыковке растущих зерен. После завершения этого процесса образуются так называемые начальные зерна аустенита. Чем дисперснее исходная структура стали, т.е., чем больше межфазная поверхность, на которой образуются зародыши зерен аустенита, тем меньше размер начального аустенитного зерна.

Рост зерна аустенита характерен для ОШЗ, нагреваемой до наибольших максимальных температур. Интенсивный рост начинается после достижения некоторой критической температуры Т_и.р.з., значение которой зависит от состава стали, наличия примесей и метода раскисления. Элементы, образующие труднорастворимые карбиды (Ti, V, Mo, W и др.), оксиды, сульфиды и нитриды (О₂, S, N₂, Al), а также поверхностно-активные (В), концентрирующиеся на границах зерен, повышают Т_и.р.з.. Рост зерна происходит в результате собирательной рекристаллизации, ведущим процессом которой является миграция границ зерен. Мелкодисперсные частицы карбидов и неметаллических включений замедляют миграцию границ и препятствуют росту зерна. Для каждой стали характерен определенный предельный размер зерна.

При сварочном нагреве высокие максимальные температуры способствуют растворению карбидов и оксидов и обусловливают высокую скорость самодиффузионных процессов. В то же время большие скорости нагрева и относительно высокие скорости охлаждения ограничивают пребывание металла при высоких температурах. В этих условиях в углеродистых и большинстве низколегированных сталей в процессе сварки дуговыми способами аустенитное зерно в ОШЗ успевает вырасти практически до своих максимальных размеров, при этом рост зерна происходит как на этапе нагрева, так и на этапе охлаждения. Соотношение приращения размера зерна на этих этапах зависит от состава стали и теплового режима сварки q /(vδ) и температуры подогрева.

В сварных соединениях зону перекристаллизации разделяют на два участка: зону перегрева с относительно крупным зерном (Τ_max1273К) и зону нормализации с мелким зерном (Τ_max< 1273К).

Следует отметить, что на участке ОШЗ, непосредственно примыкающем к линии сплавления, наблюдаются аномалии в росте зерна. Это, по-видимому, связано с оплавлением данного участка при нагреве до температур в интервале Т_с–Т_л (температуры солидуса и ликвидуса соответственно). Оплавление происходит как при нагреве непосредственно источником теплоты, так и при кристаллизации металла шва. При кристаллизации шва выделяющаяся теплота затвердевания может привести к дополнительному оплавлению ОШЗ, если температура солидуса металла шва больше температуры ликвидуса основного металла. В этом случае происходит полное расплавление части рассматриваемого участка ОШЗ, которая фиксируется в ОШЗ как зона «расплавленного и неперемешанного со швом основного металла». В результате оплавления участка ОШЗ исчезает зеренная структура, сформировавшаяся на этапе сварочного нагрева. Новые границы аустенитных зерен образуются при затвердевании расплавленного металла на оплавленном участке ОШЗ. Конечные размеры зерна зависят от степени оплавления ОШЗ. При наличии полностью расплавленной прослойки, затвердевание которой происходит после начала кристаллизации шва, границы зерен на этом участке ОШЗ представляют собой продолжение границ относительно крупных зерен в металле шва. В этом случае на участке ОШЗ, примыкающем к линии сплавления, наблюдается наиболее крупное зерно в ОШЗ. При частичном оплавлении границы зерен образуются по затвердевшим расплавленным прослойкам между частями оплавленных зерен, причем в зависимости от степени дробления ранее существовавших до оплавления зерен конечные размеры зерен могут быть соизмеримы с остальными зернами в ОШЗ или более мелкими. Во всех рассмотренных случаях возможно подрастание аустенитных зерен на этапе охлаждения.

Перераспределение легирующих элементов и примесей в сталях при высокотемпературном сварочном нагреве — сложный диффузионный процесс, который может приводить как к снижению, так и повышению микрохимической неоднородности (МХН). После завершения аустенитизации внутри зерен аустенита существует неравномерное распределение легирующих элементов и примесей, особенно углерода и карбидообразующих. Углерод концентрируется в местах, где ранее располагались частицы цементита, а также на участках зерна, где находятся еще не полностью растворившиеся специальные карбиды. Для сталей обыкновенного качества и качественных после горячей обработки давлением (прокатки, ковки) характерна начальная химическая неоднородность, связанная с волокнистой макроструктурой и полосчатой микроструктурой. Волокнистая макроструктура образована строчками раздробленных и вытянутых вдоль направления деформации неметаллических включений (сульфидов, оксидов, фосфидов). В зоне строчек имеет место повышенное содержание S, Mn, O₂, Si, Р, Аl. Полосчатая микроструктура вызвана более высокой концентрацией углерода в осях дендритов по сравнению с зонами их срастания в исходных слитках стали.

При нагреве после завершения аустенитизации в металле ОШЗ внутри зерен развивается процесс гомогенизации по углероду и другим элементам. Перераспределение элементов происходит в соответствии со значениями градиента химического потенциала в разных участках зерен. При этом вначале возможно временное усиление МХН. Углерод перераспределяется из зон, обогащенных некарбидообразующими элементами, в зоны, обогащенные карбидообразующими, поскольку первые повышают, а вторые понижают термодинамическую активность углерода. При повышении содержания углерода его активность увеличивается, в результате направление перераспределения углерода изменяется, чему также способствует произошедшее к этому моменту перераспределение других элементов. При нагреве до температур свыше 1370–1470К развивается процесс гомогенизации в направлении равномерного распределения элементов по телу зерен. Гомогенизация продолжается также на ветви охлаждения до температур сохранения диффузионной подвижности элементов или температур начала фазовых выделений, например, карбидов в высоколегированных мартенситно-стареющих сталях. Степень завершения гомогенизации при сварке зависит от максимальной температуры, диффузионной подвижности элементов, времени пребывания при температурах гомогенизации и исходной макро- и микрохимической неоднородности. Максимальная степень гомогенизации соответствует участкам ОШЗ, нагреваемым до T_c, учитывая, что коэффициенты диффузии элементов увеличиваются с повышением температуры в экспоненциальной зависимости. С наибольшей скоростью гомогенизация происходит по углероду, с меньшей — по S, Р, Cr, Mo, Mn, Ni, W в приведенной последовательности. Время пребывания при температурах гомогенизации зависит от теплового режима сварки, а также от класса применяемых сварочных материалов. Последнее связано с дополнительным нагревом ОШЗ выделяющейся теплотой затвердевания шва (аналогично их влиянию на степень оплавления ОШЗ). Степень влияния металла шва определяется температурой солидуса металла шва. Чем она выше, тем при более высоких гомологических температурах происходит дополнительный нагрев ОШЗ. При переходе от сравнительно тугоплавких ферритно-перлитных сварочных материалов к более легкоплавким аустенитным время пребывания ОШЗ свыше 1370К уменьшается примерно в 1,5 раза. Весьма существенно влияет исходное состояние стали. Наличие труднорастворимых крупных скоагулированных частиц легированного цементита и специальных карбидов, например, после отжига стали на зернистый перлит, заметно снижает степень гомогенизации.

Одновременно с перераспределением элементов по телу зерен возможна их сегрегация на границах зерен. Однако, учитывая высокую скорость сварочного нагрева и снижение степени равновесной сегрегации с повышением температуры, по-видимому, этот процесс не приведет к значительному накоплению примесей на границах при нагреве. В процессе охлаждения, когда упомянутые условия изменяются, сегрегация может привести к обогащению границ примесями. Развитие сегрегации на границах также возможно при последующих нагревах в процессе многослойной сварки и повторном нагреве при отпуске сварных конструкций. Обогащение границ примесями — одна из причин хрупкого межкристаллического разрушения в ОШЗ.

На участке неполной перекристаллизации происходит полное или частичное превращение перлитных участков в аустенит и коагуляция цементита и специальных карбидов при сохранении феррита. Конечная структура после охлаждения будет характеризоваться неравномерным размером зерна и неоднородностью структурных составляющих. Если свариваемая сталь находилась в исходном состоянии закалки и отпуска, то в этой зоне происходит разупрочнение, т. е. снижение прочности и твердости.

При нагреве до Т_max ниже неравновесной A_c3 фазовые и структурные превращения происходят в том случае, если сталь перед сваркой находилась в метастабильном состоянии для этого диапазона температур. Метастабильны исходные состояния стали после холодной пластической деформации, закалки и низкого отпуска, закалки и старения. В холоднодеформированной стали развиваются процессы возврата и рекристаллизации обработки. Последний процесс приводит к разупрочнению соответствующей зоны сварного соединения. В низкоуглеродистой стали при нагреве свыше 470 К возможно деформационное старение, приводящее к снижению пластичности стали. Степень завершенности процессов, развивающихся при нагреве метастабильного металла, и изменений свойств сварного соединения зависит от состава стали и времени пребывания в диапазоне определенных максимальных температур. Последнее зависит от теплового режима сварки. Кроме того, режим определяет ширину зон, в которых развивается тот или иной процесс, а следовательно, и ширину зон разупрочнения или пониженной пластичности. При применении мощных концентрированных источников теплоты эти зоны могут стать настолько узкими, что не будут оказывать заметного влияния на прочность сварного соединения в целом.

1.3.3.3.4 Превращения в шве и основном металле при охлаждении

При охлаждении в области высоких температур в шве и в ЗТВ, находящихся в аустенитном состоянии, продолжают развиваться ряд процессов, начавшихся на этапе нагрева: гомогенизация, рост зерна и др. Некоторые процессы изменяют свое направление. Так, по мере охлаждения усиливается сегрегация примесей на границах зерен, а у мартенситно-стареющих сталей при условии медленного охлаждения возможно выпадение карбо-нитридов и карбидов хрома при температурах ниже 1320–1220К. Основной процесс в сталях при охлаждении, окончательно определяющий микроструктуру и свойства металла сварных соединений, — превращение аустенита.

Анализ превращений в сталях при охлаждении в процессе сварки выполняют с помощью так называемых «анизотермических диаграмм превращения (распада) аустенита» (АРА) применительно к термическим условиям сварки. Их строят на основе экспериментальных данных, получаемых с помощью дилатометрического или термического метода анализа. Дилатометрический метод основан на регистрации изменений размера определенным образом выбранной базы на свободном незакрепленном образце в процессе его нагрева и охлаждения. Термический анализ основан на регистрации эффекта выделения теплоты, сопровождающего фазовые превращения аустенита. Для термического анализа используют как образцы основного металла, подобные дилатометрическим, в которых воспроизводится СТЦ, так и сварные образцы.

В зависимости от состава стали и СТЦ в околошовной зоне и шве при охлаждении возможны фазовые превращения аустенита: ферритное, перлитное, мартенситное и бейнитное. Часто имеет место смешанное превращение, т.е. несколько последовательно следующих друг за другом видов превращений, например бейнитное и мартенситное; ферритное, перлитное и бейнитное.

Ферритное превращение характерно при сварке низкоуглеродистых сталей и относительно малых скоростях охлаждения. Оно представляет собой превращение диффузионного типа. Зародыши ферритной фазы возникают на границах аустенитных зерен (нормальный механизм превращения). Этому процессу предшествует диффузионный отвод углерода во внутренние части зерна аустенита. Содержание углерода в образующемся феррите не превышает 0,02%. Твердость феррита составляет НВ 80–100. При непрерывном охлаждении количество ферритной фазы, как правило, не достигает равновесного значения. В сталях с крупным аустенитным зерном (сварной шов, перегретая околошовная зона) при относительно высоких скоростях охлаждения возможно выделение феррита в виде ориентированных пластин внутри зерна аустенита (видманштеттова структура). Ферритные пластины выделяются вдоль плотноупакованных октаэдрических плоскостей решетки аустенита. Предполагают, что механизм их образования такой же, как и у мартенсита. Возможны случаи одновременного образования сетки феррита по границам зерен и видманштеттова феррита, причем по мере увеличения содержания углерода и уменьшения размера зерна доля последнего уменьшается. Образованию видманшттетовой структуры способствуют Mn, Cr и Мо. Выделения феррита могут приводить к уменьшению прочности, а тонкопластинчатая видманштеттова структура — к снижению пластичности.

Перлитное превращение характерно при сварке среднеуглеродистых сталей и как дополнительное при сварке низкоуглеродистых. Оно происходит при сравнительно невысоких скоростях охлаждения. Перлитное превращение имеет диффузионный механизм и начинается с образования зародышей в виде перлитных колоний на границах аустенитного зерна. Вначале вследствие флуктуации концентрации углерода образуется тонкая цементитная (или ферритная) пластина. При ее утолщении окружающий аустенит обедняется (или обогащается) углеродом и создаются условия для возникновения примыкающих к ней пластин феррита (или цементита). Попеременное многократное возникновение пластин цементита и феррита приводит к образованию перлитной колонии, которая начинает расти не только в боковом, но и торцовом направлении. Кооперативный рост двухфазной колонии в торцовом направлении контролируется диффузионным перераспределением углерода в объеме аустенита перпендикулярно фронту превращения и вдоль фронта между составляющими перлитной колонии. Скорость роста перлитных колоний и межпластиночное расстояние (между одноименными пластинами) зависит от степени переохлаждения. Для стали с 0,8% С по признаку дисперсности различают следующие разновидности перлитных структур:

1)собственно перлит, температуры образования 940…920 К, межпластиночное расстояние 0,5–1,0мкм, твердость НВ 170–230;

2)сорбит – соответственно 920–870К, 0,2–0,4мкм, НВ 230–330;

3)троостит – соответственно 870–770К, 0,1мкм, НВ 330–400.

Разделение условно, так как по мере понижения температур превращения монотонно увеличивается дисперсность структур. Наиболее высокую пластичность и ударную вязкость имеет сорбит. Характеристикой перлитной структуры служит также окончательный размер колоний (перлитных зерен). Чем меньше размер аустенитных зерен и ниже температура превращения, тем меньше размер перлитных зерен. С уменьшением их размера повышаются механические свойства структуры.

Мартенситное превращение при типичных сварочных скоростях охлаждения характерно для среднеуглеродистых легированных сталей. Превращение может быть полным или частичным в зависимости от скорости охлаждения. Оно бездиффузионно и происходит при переохлаждении аустенита до температур, при которых диффузионные перемещения атомов железа практически прекращаются, а углерода существенно замедляются. Оно начинается и заканчивается при постоянных для сталей данного состава температурах, не зависящих от скорости охлаждения. Превращение протекает по сдвиговому механизму. Мартенситные пластины образуются вдоль плотноупакованных октаэдрических плоскостей ГЦК решетки аустенита, которые наиболее близки по атомному строению к плоскостям с максимальной упаковкой в ОЦК решетке мартенсита. В результате кратчайших кооперативных атомных смешений (эквивалентных сдвиговой деформации) ГЦК решетки аустенита превращаются в объемно-центрированные тетрагональные решетки мартенсита. Превращение мартенсита не сопровождается выделением углерода из твердого раствора, который после превращения становится пересыщенным. Атомы углерода, расположенные в аустените в сравнительно свободных пустотах вдоль ребер ГЦК решетки, оказываются на гранях ОЦК решетки. Они препятствуют сдвиговой деформации при превращении, в результате чего тетрагональная решетка мартенсита искажается. Чем выше содержание углерода, тем больше тетрагональность решетки. Твердость мартенсита определяется содержанием углерода в стали и практически не зависит от содержания легирующих элементов. Мартенситное превращение аустенита не бывает полным — в структуре всегда остается от 2 до 10% остаточного аустенита.

В зависимости от внутреннего строения различает следующие типы мартенсита: пластинчатый и пакетный. Пластинчатый мартенсит также называют игольчатым, низкотемпературным и двойниковым. Он образуется в высоко- и среднеуглеродистых легированных сталях и имеет форму тонких линзообразных пластин с двойниковыми прослойками в средней части. В начальный момент превращения, когда образуется средняя часть пластины (так называемый «мидриб»), пластическая деформация аустенита, обусловливающая перестройку решетки, происходит путем двойникования. Периферийные области мартенситных пластин имеют дислокационное строение с плотностью дислокаций 10⁹–10¹⁰см^–2. По мере снижения температуры превращения доля двойниковых участков увеличивается. Пластины мартенсита, образующиеся в первую очередь при температуре начала мартенситного превращения проходят через все зерно аустенита, расчленяя его на отсеки. Следующие пластины располагаются под углом к ранее образовавшимся и по длине соизмеримы с размерами отсеков. В зависимости от размеров зерна аустенита пластинчатый мартенсит может быть крупноигольчатым, мелкоигольчатым или бесструктурным. Пакетный мартенсит, также называемый реечным, массивным, высокотемпературным и недвойниковым (дислокационным) имеет форму примерно одинаково ориентированных тонких пластин (реек). Они образуют плотный более или менее равноосный пакет. Ширина реек 0,1–1,0мкм, поэтому оптической металлографией выявляются только их пакеты. По этой причине пакетный мартенсит получил название массивного. Пакетный мартенсит образуется в большинстве низкоуглеродистых легированных сталей. Он характеризуется сложным дислокационным строением с высокой плотностью дислокаций (до 10¹¹–10¹²см^–2). Его образование обусловлено пластической деформацией исходной решетки аустенита путем скольжения. Тип мартенсита определяет его механические и технологические свойства. Например, пластинчатый мартенсит в околошовной зоне более склонен к образованию холодных трещин, чем пакетный. Это связано с тем, что у вершины двойниковой пластины создаются высокие плотность дислокаций и уровень микронапряжений.

Бейнитное превращение, называемое также промежуточным, характерно при сварке большинства углеродистых и легированных сталей. Оно происходит в интервале температур от 770К 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 50–100К 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 873–773К. 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 = 370–570К.

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 350–400К), обеспечивающий бейнитное превращение при возможно более высоких температурах. Весьма эффективны сопутствующий и последующий подогрев (при 400–480К), приводящий к самоотпуску мартенсита.

1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке

Рис.36 Виды холодных трещин в сварных соединениях легированных сталей; 1 – «откол»; 2 – «частокол»; 3 – «отрыв» по зоне сплавления; 4 – продольные трещины

Рис.37 Межкристаллический характер разрушения на участке очага холодной трещины (А) и смешанный на участке ее развития

1)разрушение носит межкристаллический характер;

2)разрушение происходит через некоторый инкубационный период после приложения нагрузки при условии деформирования с малыми скоростями (ε10^-4с^-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 10–20ч после окончания термического воздействия и приложения минимальной разрушающей нагрузки. После этого сопротивляемость разрушению возрастает в течение от 1 до 10суток в результате так называемого процесса «отдыха»;

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

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

-)легированных сталей (σ_пч

-)теплоустойчивых сталей – Т;

-)высоколегированных специальных сталей – В;

-)прочих сталей; – П;

б)для сварки чугуна;

в)для сварки алюминия;

г)других материалов;

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;

Рис.38 К определению показателя K_п

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

9)по диаметру стержня электрода.

2.1.2 Условное обозначение сварочных электродов

Условное обозначение сварочных электродов, принятое в России, имеет вид:

I - II - III - IV V VI

XI , XII

E - VII - VIII IX X

На данной схеме римскими цифрами от I до ΧΙΙ обозначены следующие позиции:

1)I – тип электрода по механическим свойствам металла шва;

2)II - марка электрода (выбирается производителем);

3)III – диаметр стержня;

4)IV – назначение;

5)V – толщина покрытия;

6)VI – группа по качеству;

7)VII – механические свойства наплавленного металла по ГОСТ 9467-75. В данной позиции имеются следующие особенности: первые два индекса в ней указывают минимальные значения σ_пч (предела прочности) и σ_вр (временного сопротивления), а третий индекс (цифра от 0 до 7) – условно характеризует минимальные значения δ₅ (ударной вязкости) и температуры T_х, при которой определялась ударная вязкость. Таким образом, третий индекс может принимать следующие значения:

а)0 - δ₅< 20, T_х не регламентирована;

б)1 - δ₅= 20; T_х= 20°С;

в)2 - δ₅= 22; T_х= 0°С;

г)3 - δ₅= 24; T_х= -20°С;

д)4 - δ₅= 24; T_х= -30°С;

е)5 - δ₅= 24; T_х= -40°С;

ж)6 - δ₅= 24; T_х= -50°С;

з)7 - δ₅= 24; T_х= -60°С;

Если значения δ₅ и T_х , то третий индекс соответствует δ₅ , а для T_х вводится дополнительно (в скобках) четвертый индекс

8)VIII – вид покрытия;

9)IX – рекомендуемое положение сварного шва;

10)X – рекомендуемый род тока, напряжение холостого тока, полярность;

11)XI – ГОСТ на электрод;

12)XII – ГОСТ на тип или ТУ.

2.1.3 Краткая характеристика материалов покрытия и стержня электродов

Назначение покрытия – стабилизация дуги, защита и легирование расплавленного металла сварочной ванны. Различные виды покрытия электродов по-разному взаимодействуют с металлом в процессе сварки.

Шлакообразующую основу электродов с кислым покрытием составляют железные и марганцевые руды и кремнезем. Газовая защита металла создается органическими составляющими покрытия и карбонатами при нагревании и плавлении электрода, а раскисление обеспечивается ферромарганцем. Образующиеся шлаки (обычно кислые) не содержат CaO и не очищают металл от фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до 0,15см³/г.мет.) и неметаллических включений. При повышенном содержании серы в основном металле появляется склонность металла шва к образованию горячих трещин; в тоже время наплавленный металл не склонен к образованию пор при наличии на свариваемых поверхностях окалины или ржавчины и при случайном удлинении дуги в монтажных условиях эти электроды применяются для сварки металлоконструкций.

Шлакообразующую основу электродов с основным покрытием составляют карбонаты и фториды кальция. Кроме того, в состав покрытия также входят каолин, кварцевый песок, ферросплавы. Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода при диссоциации карбонатов. Наплавленный металл раскисляется ферромарганцем, ферросилицием, а иногда ферротитаном или ферроалюминием. Эти покрытия слабоокисленные, поэтому позволяют легировать расплавленный металл элементами с большим сродством к кислороду. Наличие значительного количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства при пониженных температурах, а легирование марганцем и кремнием придает соединению высокую прочность. Наплавленный металл содержит небольшое количество кислорода (менее 0,05%) и водорода (4–10 см³/г.мет.), мало склонен к старению и стоек к образованию кристаллизационных трещин. Однако при сварке длинной дугой, увлажнении покрытия и наличии следов ржавчины на кромках стыка наблюдается резкое увеличение склонности к порообразованию. Электроды не должны иметь эксцентриситет покрытия, который может привести к образованию козырька при горении. Электроды с покрытием типа Б могут применяться для выполнения всех видов сварочных работ на магистральных трубопроводах, в т.ч. для сварки на компрессорных и перекачивающих станциях, специальных сварочных работ и др. Для качественной сварки необходимо строго выполнять требования по подготовке электродов и изделия к работе и выдерживать технологический режим процесса. Сварка ведется на постоянном токе прямой и обратной полярности во всех пространственных положениях корневого, заполняющих и облицовочного слоев шва кольцевых стыков труб всех диаметров.

Основу рутилового покрытия составляет шлакообразующий компонент– рутиловый концентрат TiO₂ (до 45%), а также алюмосиликаты (слюда, полевой шпат и др) и карбонаты (мрамор, магнезит). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается введением органических соединений (до 5%), а также разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется ферромарганцем (в покрытии менее 10–15%) и содержит кислорода 0,06–0,09%, водорода до 30 см³/г.мет. Склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин примерно такая же, как и электродов с кислым покрытием. В металле шва могут появляться поры при колебаниях дуги, при окисленной или загрязненной поверхности. Электроды с рутиловым покрытием применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из малоуглеродистой стали, но в связи с невысоким качеством наплавленного металла эти электроды используются только для сварки неответственных конструкций. К их достоинствам относятся возможность изменения в широком диапозоне режима сварки, образование хорошо отделимого шлака, возможность сварки как на постоянном, так и на переменном токе.

Целлюлозное покрытие содержит большое количество органических составляющих (целлюлоза, асбест, травяная мука), создающих в процессе сварки газовую защиту. Кроме того. В состав покрытия таких электродов вводятся окислы железа, марганца, ферросплавы и др. вещества. Покрытие содержит ферромарганец для раскисления наплавленного металла. Толщина покрытия составляет 0,8–0,9мм. При сварке на конце электрода образуется втулочка из нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию направленного потока газов, возникающих при разложении органических веществ (рис. 39). Газовая струя оттесняет жидкий металл из-под дуги и обеспечивает более глубокое проплавление основного металла. Кроме того, при сварке корневого слоя шва («корня») образуется равномерный и хорошо сформировавшийся обратный валик. Объясняется это тем, что сварку электродами с целлюлозным видом покрытия выполняют со сквозным проплавлением, при котором дуга образует в металле сквозное «технологическое окно». При этом металл сварочной ванны оттесняется в сторону, противоположную направлению сварки. По мере перемещения электрода металл смыкается позади окна, пленка жидкого металла перекрывает оплавленные кромки с обратной стороны шва и формируется обратный валик. Электроды с целлюлозным покрытием дают небольшое количество легкоотделимого шлака, что облегчает технику сварки «на спуск», вдвое повышает скорость сварки (по сравнению с основными электродами). Однако сечение каждого слоя шва, сваренного целлюлозными электродами, значительно меньше, чем при сварке основными. Причина в том, что сварка целлюлозными электродами выполняется опиранием без поперечных колебаний. Образуется ниточный валик, сечение которого примерно равно диаметру электрода. Содержание кислорода в наплавленном металле составляет до 0,03%, при сварке выделяется значительное количество водорода. Следствием последнего факта является повышенное содержание водорода в металле шва. Металлургические реакции при сварке целлюлозными электродами также определяют наличие в металле шва повышенного содержания силикатных включений, с чем связано пониженное значение ударной вязкости. Эти особенности налагают определенные ограничения на использование целлюлозных электродов при отрицательных температурах и часто требуют применения дополнительных технологических мероприятий при сварке (подогрев). Электроды эти гигроскопичны, поэтому необходимо строгое соблюдение правил упаковки, хранения и подготовки к сварке. Они также весьма чувствительны к перегреву (из-за выгорания органических составляющих в покрытии), и их используют только на 50% по длине (на электроды часто наносят специальные риски, указывающие, до какого уровня их можно использовать). Почти все марки электродов с целлюлозным покрытием применяют для сварки на постоянном токе прямой и обратной полярности. Электроды типа Ц на строительстве магистральных трубопроводов в России используются только для сварки корневого слоя шва и слоя «горячего» прохода, за рубежом – для сварки всех слоев шва.

Таким образом, как уже отмечалось, СНИП 2.06.05-85* допускает для сварки магистральных трубопроводов применение только электродов с основным и целлюлозным видом покрытия.

Свойства электродов также в значительной степени определяет материал электродного стержня. В качестве него при производстве электродов в России обычно используется сварочная проволока, состав которой регламентируется ГОСТ 2246-70.

Таблица 6

Химический состав наиболее распространенных сварочных проволок,%

Марка проволоки	C	Si	Mn	Cr	Ni	S	P	Al
н е б о л е е
Св-08	0,1	0,08	0,35…0,6	0,15	0,30	0,04	0,04	0,01
Св-08А	0,1	0,03	0,35…0,6	0,12	0,25	0,03	0,03	0,01
Св-08АА	0,1	0,03	0,35…0,6	0,10	0,25	0,02	0,02	0,01

Отечественные электроды для трубопроводного строительства выпускают диаметром 2мм; 2,5мм; 3мм; 4мм; 5мм; длиной 350; 450мм с зачищенным от покрытия концом длиной 25мм. За рубежом помимо электродов названных диаметров производятся электроды диаметром 3,25мм; 5,5мм; 6мм; 6,35мм. Диаметр электродного стержня при одном и том же химическом составе оказывает существенное влияние на технологические свойства электрода, определяя допустимое значение силы сварочного тока, размеры и жидкотекучесть сварочной ванны и т.д. Для сварки корневого слоя стыков труб целесообразно применять электроды меньшего диаметра, чем для сварки заполняющего и облицовочного слоев. При сварке в потолочном положении применяют, как правило, электроды с диаметром не более 4мм. Для сварки верхней полуокружности стыка можно применять электроды диаметром 5мм. В зарубежной практике нашли применение целлюлозные электроды диаметром до 6мм при сварке кольцевых стыков во всех пространственных положениях сварки, что объяснятся повышенной скоростью сварки этими электродами по сравнению с основными.

2.2 Сварные соединения и швы

2.2.1 Сварные соединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики

Сварным соединением называется сварной шов и прилегающие к нему участки основного металла, подвергшиеся тепловому воздействию сварочного термического цикла.

Различают пять основных видов сварных соединений:

1)стыковое;

2)нахлесточное;

3)угловое;

4)тавровое;

5)заклепочное.

В то же время, разновидностей этих видов может быть множество в зависимости от толщины свариваемых деталей, технологических возможностей используемого способа сварки, конструктивных и эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкции и т.д. Наиболее распространенным в трубопроводном строительстве является стыковое сварное соединение, т.е. соединение двух элементов, находящихся в одной плоскости или на одной поверхности. При рассмотрении в этой работе сварных соединений подразумеваются именно стыковые сварные соединения.

Сварным швом называют участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. В зависимости от толщины свариваемых деталей сварной шов может быть однослойным или многослойным. При строительстве магистральных трубопроводов подавляющее большинство всех сварных швов являются

Рис.40 Однослойный и многослойный сварные швы

Сварной шов характеризуется следующими геометрическими параметрами (рис. 41):

1)шириной e – расстоянием между кромками шва;

2)усилением q – частью металла шва, возвышающейся над поверхностью свариваемых частей;

3)глубиной провара h – расстоянием между верхней и нижней границами (кромками) поперечного сечения шва, измеренным в направлении толщины металла.

4)притупление c;

5)зазор b – расстояние между двумя свариваемыми деталями.

Рис.41 Геометрические характеристики сварного шва

Притупление и зазор являются важными показателями, определяющими качество будущего шва. С их помощью можно регулировать глубину проплавления. Увеличение зазора и уменьшение притупления повышают глубину проплавления, уменьшение зазора и увеличение притупления – понижают ее. Слишком малое притупление может привести к пережогу, отсутствие притупления (c = S) приводит к непровару.

Причина столь жесткого контроля геометрических параметров в том, что сварной шов, даже качественный, является мощным концентратором напряжений (К= 1.5–1,6), а в некачественно выполненном шве концентрация напряжений может возрастать на 25–30%.

2.2.2 Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев

Рис.42 Схема выполнения облицовочного (а) и заполняющих и облицовочного (б) слоев шва несколькими валиками; 1–14 – слои шва; B – ширина валика

Сварной шов по высоте состоит из нескольких слоев. Каждый из них имеет свое название, особенности выполнения и осуществляет определенные функции. Конструкция шва в общем случае приведена на рис.43.

Наиболее ответственным является корневой слой шва. Он должен надежно проплавлять кромки свариваемых труб и образовывать на внутренней поверхности равномерный обратный валик с усилением 1–3 мм. Допускается на отдельных участках стыка длиной не более 50 мм (разрешается один подобный участок на каждые 350мм длины стыка) ослабление корня шва величиной до 15% от толщины стенки (при S = 4–12мм) или величиной до 10% от толщины стенки (при S > 12мм). Наружная поверхность корневого слоя должна быть гладкой, мелкочешуйчатой и иметь сопряжение с боковой поверхностью разделки. Оптимальной формой наружной поверхности корня шва является вогнутость. Сварка корневого слоя электродами с целлюлозным видом покрытия должна вестись на постоянном токе обратной полярности; в случае нарушения на отдельных участках условий сборки можно использовать прямую полярность. Сварка ведется методом «на спуск» простым опиранием торца электрода на кромки

Рис.43 Конструкция сварного шва в общем случае; 1 – корневой слой шва («корень»); 2 – первый заполняющий слой при сварке корня электродами с основным видом покрытия или слой «горячего» прохода при сварке корня шва электродами с целлюлозным видом покрытия; 3,4 – заполняющие слои шва; 5 – облицовочный (отжигащий., косметический) слой шва

Рис.44 Схема шлифовки корневого слоя шва при сварке его электродами с целлюлозным видом покрытия; 1 – корневой слой шва; 2 – зашлакованные «карманы»; 3 – шлаковое включение; 4 – кромка трубы

в течение последующих максимум пяти минут необходимо выполнить слой «горячего прохода». Горячим считается только такой проход, который выполнен электродами типа Ц или специальными низководористыми электродами, обеспечивающими возможность сварки «на спуск», по неостывшему корню шва не более, чем через пять минут после окончания сварки корня. Назначение «горячего прохода» в следующем:

1)устранение дефектов, образовавшихся в металле корневого слоя шва;

2)выплавление шлака из раскрытых при шлифовке зашлакованных карманов;

3)обеспечение чуть вогнутой или, по крайней мере, плоской ровной подложки для выполнения заполняющего слоя шва;

4)равномерное перераспределение водорода по всему периметру сварного шва и, тем самым, повышение его трещиностойкости;

5)отжиг закалочных структур.

Сварка горячего прохода ведется поддержанием электрода на весу при длине сварочной дуги в 1,5–2 мм в рваном ритме как с продольными, так и поперечными колебаниями. Сварщик придает торцу электрода продольное возвратно-поступательное движение с достаточно большой амплитудой при переменной длине дуги. В нижнем положении этой траектории сварщик осуществляет незначительное поступательное движение торца электрода с задержкой на свариваемых торцах труб, а затем сразу после задержки следует резкое выметающее шлак движение вверх-вниз. Скорость сварки должна составлять 18–20м/ч.

Сварка корневого слоя электродами с основным видом покрытия выполняется на постоянном токе обратной полярности методом «на подъем» с поперечными колебаниями, амплитуда которых зависит от ширины разделки кромок стыка. При сварке корневого слоя шва электродами с основным видом покрытия «на спуск» (используется реже, чем метод «на подъем») дугу возбуждают методом «зажигания спички» на поверхности разделки (запрещается зажигать дугу на поверхности основного металла трубы вне разделки), затем, чуть оторвав электрод от поверхности зажигания (длина дуги не более 1,5мм), мгновенно переводят дугу на свариваемые кромки. Кратер необходимо выводить на поверхность разделки кромок или прорезать шлифмашинкой. После достижения контакта между втулочкой электрода и поверхностью разделки электрод перемещают сверху вниз без поперечных колебаний, непрерывно регулируя положение дуги относительно сварочной ванны. Промежуток «застывший сварочный шлак – дуга» регулируется изменением наклона электрода, скоростью его перемещения, усилием прижатия электрода к свариваемым кромкам и силой тока.

При сварке труб диаметром 1020мм и более рекомендуется выполнять подварочный слой (подварку). Различают 100%-ную подварку (т.е. подварку всего периметра стыка) и визуальную подварку (подварку в местах видимых дефектов (непроваров) с обязательной подваркой нижней четверти стыка, т.е. части, где корень выполнялся в потолочном положении). Подварку неповоротных стыков в случае сварки корневого слоя электродами с основным покрытием способом «на подъем» осуществляют на нижней четверти периметра и на участках стыка с непроваром. Подварку выполняют перед началом сварки заполняющих слоев шва. Запрещается производить подварку способом сварки «на спуск». Подварочный шов должен обеспечивать надежный провар корня и иметь мелкочешуйчатую поверхность, плавно сопрягающуюся со внутренней поверхностью трубы без подрезов и др. дефектов. Ширина подварочного слоя может колебаться в пределах от 8 до 10мм, усиление составляет 1–3мм. Подварочный слой может присутствовать не только при сварке корня основными электродами, но и если сварка велась целлюлозными электродами - для обеспечения гарантированного провара. В этом случае чаще всего используется визуальная подварка. СНИП [6] устанавливает обязательность подварки для труб диаметром 1020мм и более при разнотолщинности свариваемых элементов. Во всех случаях подварка делается электродами с основным покрытием.

После выполнения слоя горячего прохода электродами типа Ц или корневого слоя электродами типа Б производится сварка заполняющего или заполняющих (число их зависит от толщины стенок свариваемых труб) слоев шва. Заполняющие слои надежно сплавляются между собой и проплавляют кромки труб. Выполняются они основными электродами.

Последним слоем сварного шва является облицовочный (другие его названия – косметический, отжигающий). Важнейшая его функция – термическая обработка (отжиг) предыдущих слоев шва, что позволяет выровнять и нормализовать структуру всего шва, а значит, и его физико-механические характеристики. Как уже отмечалось, ко внешнему виду облицовочного слоя предъявляются особые требования. Он должен быть мелкочешуйчатым (чешуйчатость не более 1мм),иметь плавный переход к основному металлу, усиление 1–3мм, перекрывать разделку на 2,5–3,5мм в каждую сторону и иметь колебание по ширине не более 5мм. В зарубежной практике усиление шва принято спиливать – подобные швы лучше работают на знакопеременную нагрузку (т.е. имеют повышенный предел выносливости), у них меньший коэффициент концентрации напряжений и они более экономичные. Чтобы предупредить образование дефектов между слоями перед наложением каждого последующего слоя шва, поверхность предыдущего шва должна быть очищена от шлака и брызг наплавленного металла. После окончания сварки поверхность облицовочного слоя шва также должна быть очищена от шлака и брызг. Шов не должен иметь наплывов, выходящих на поверхность дефектов, прожогов, незаваренных кратеров и видимых глазом подрезов.

Ручную дуговую сварку следует выполнять с применением электродов, указанных в табл. 10,11 [5] либо аналогичных, сертифицированных и допущенных к применению ВНИИСТом. Запрещается вести сварку с применением любых присадок, подаваемых в дугу дополнительно или закладываемых в разделку.

При сварке последующий валик по длине должен перекрывать предыдущий на расстояние не менее 15мм, что связано с необходимостью переплавки дефектов окончания сварки – кратеров. Рекомендуется заварка кратеров в процессе сварки, чего можно достичь путем растяжки дуги - естественного затухания дуги вследствие ее удлинения.

Сварные соединения разрешается оставлять незаконченными только на одни сутки после окончания рабочего дня или при остановке работ, если число выполненных слоев шва соответствует таблице 7 (табл.17[5]). Если число слоев на брошенном стыке не соответствует данным, приведенным в таблице 7, стык должен быть вырезан и заварен вновь.

Таблица 7

Минимальное допустимое число слоев при остановке работ

Толщина стенки трубы, мм	Необходимое число слоев при сварке корневого слоя шва электродами с разным видом покрытия
целлюлозный	основной
До 10	Стык заваривается полностью
Свыше 10-15	3	2
Свыше 15	4	3
Примечание: число слоев указано без учета подварочного слоя

2.3 Этапы разработки технологии РДС

От правильной разработки технологии сварки в конечном счете зависит работоспособность конструкции, ее эксплуатационные характеристики. В общем случае при разработке технологии целесообразно выделить пять основных этапов:

1)выбор вида подготовки (разделки) кромок;

2)выбор электродов;

3)выбор рода и силы сварочного тока;

4)выбор конструкции стыка и шва;

5)выбор скорости сварки.

Выбор схемы производства работ ввиду его специфичности рассматривается отдельно.

2.3.1 Подготовка кромок труб

При сварке двух металлических элементов значительной толщины (именно такими являются трубы для магистральных трубопроводов) применяется особая форма обработки свариваемых кромок – разделка. Смысл ее использования в обеспечении необходимой глубины проплавления при отсутствии пережога. Все трубы поступают на трассу с заводов с разделкой кромок, предназначенной для ручной дуговой сварки толстопокрытыми электродами (рис. 45. а). Эта разделка имеет для труб любого диаметра при толщине стенки более 4мм угол скоса кромок 25–30º и

Рис.45 Разделка кромок труб. поступающих на трассу. Bи S соответсвенно равны (в мм) 7; 8; 9 и 15–19; 19-21,5; 21,5–26

2.3.2 Выбор электродов

Тип электродов и вид электродного покрытия выбираются исходя из необходимости получения механических свойств шва, одинаковых со свойствами основного металла, назначения электродов (какой слой сварочного шва ими будут варить), а также с учетом требования наибольшей производительности сварки. Выбор производится согласно таблицам 8, 9 (табл.10, 11[5])

Таблица 8

Электроды с покрытием основного вида для сварки и ремонта поворотных и неповоротных стыков труб при любых условиях прокладки трубопроводов

Электроды	Характеристика металла свариваемых труб
Назначение	Тип по ГОСТ 9467-75	Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Нормативное значение временного сопротивления разрыву, МПа (кгс/мм)
Для сварки, ремонта корневого слоя шва и подварки изнутри трубы	Э42А	2,0-2,5	5-8	До 490 (50) включительно
3,0	6-26 и более
Э50А	2,0-2,6	5-8	До 588 (60) включительно
2,5-3,25	8-26 и более	-
Для сварки и ремонта заполняющих и облицовочных слоев шва (после "горячего" прохода электродами с целлюлозным покрытием или после сварки корневого слоя электродами с основным покрытием)	Э42А	3,0-4,0	5-26 и более	До 431 (44) включительно
Э50А	3,0-3,25	5-8	До 539 (55)
4,0-5,0	6-26 и более	-
Э60	3,0-3,25	5-8	539-588 (55-60) включительно
4,0-5,0	6-26 и более	538-588 (55-60) включительно
Э70	4,0-5,0	10-26 и более	588-637 (60-65)
Примечание. Каждый диаметр (группа диаметров) электродов относится ко всем маркам электродов, сгруппированных согласно типу по ГОСТ 9467-75. Например, группа диаметров 2,0-2,6 относится ко всем маркам электродов типа Э50А от УОНИ-13/55 до ОК 48.04, то же самое для диаметра 3,0 и 3,25

Таблица 9

Электроды с покрытием целлюлозного вида для сварки неповоротных стыков труб при подземной прокладке трубопроводов

Электроды	Характеристика металла свариваемых труб
Назначение	Тип по ГОСТ 9467-7	Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Нормативное значение временного сопротивления разрыву, МПа (кгс/мм)
Для сварки первого (корневого) слоя шва	Э42	3,0-3,25	5-8	До 568 (60)
4,0	6-26
Э50	3,0-3,25	5-8	539-637 (55-65) включительно
4,0	6-26 и более
Для сварки второго слоя шва (горячего прохода)	Э42	3,0-3,25	5-8	До 588 (60)
4,0	10-26 и более
Э50 и Э60	4,0-5,0	6-26 и более	539-588 (55-60) включительно
Для сварки заполняющих слоев шва	Э60	5,0	10-26 и более	539-588 (55-60) включительно

Выбранный электрод должен обеспечивать необходимый провар внутренних кромок изделия, обеспечивая удержание металла от стекания во всех пространственных положениях в сочетании с плавным очертанием внешней поверхности валика шва.

2.3.3 Сварочный ток

Как уже отмечалось выше, сварку магистральных трубопроводов ведется только на постоянном токе прямой и обратной полярности. В общем случае сварочный ток может быть рассчитан по следующим методикам:

1)приближенно вычислен по одной из следующих эмпирических формул в зависимости от:

а)диаметра электрода:

I_св = K₁*

Ι_св= d_э(K₂+αd_э)

где величины K₁=20–25, K₂=20, α=6 представляют собой коэффициенты, найденные опытным путем.

б)диаметра электрода и допустимой плотности тока для электродов с конкретным видом покрытия:

I_св = j

где j – допустимая плотность тока, определяемая по таблице 10

Таблица 10

Значения допускаемой плотности тока,А/мм², для электродов с различными видами покрытия

Вид покрытия	Диаметр электрода,мм
3	4	5	6
Рудно-кислое,рутиловое*	14…20	11,5…16	10…13,5	9,5…12,5
Фтористо-кальциевое (основное)	13…18,5	10…14,5	9…12,5	8,5…12
Целлюлозное	11,3…15,5	11,1…14,3	9,1…12,7	7…7,7
*при сварке магистральных трубопроводов не используются

При сварке в вертикальном и потолочном положении ток уменьшается на 15–20% во избежание стекания жидкого металла.

2)сварочный ток может быть выбран из следующих таблиц, являющихся таблицами ВСН 006-89 (табл.14,15[5])

Таблица 11

Рекомендуемые значения сварочного тока при сварке электродами с основным видом покрытия способом «на подъем»

Диаметр электродов, мм	Сварочный ток (А) в зависимости от пространственного положения шва
нижнее	вертикальное	потолочное
2,0;2,5	50-90	40-80	40-50
3,0-3,25	90-130	80-120	90-110
4,0	140-180	110-170	150-180

Таблица 12

Рекомендуемые значения сварочного тока при сварке электродами способом «на спуск»

Диаметр электродов, мм	Слой	Сварочный ток (А) в зависимости от пространственного положения шва
нижнее	вертикальное	потолочное
Электроды с целлюлозным видом покрытия
3,0-3,25	1	90-110	90-110	80-100
4,0	1	120-160	120-160	100-140
4,0	«Горячий» проход	140-180	150-170	140-170
5,0	«Горячий» проход и заполняющие слои	180-200	200-220	160-180
Электроды с основным видом покрытия
3,0	1	80-100	110-130	90-110

Указанные в таблице 11 электроды диаметра 2 и 2,5мм применяются обычно при ремонте стыков, который относится к специальным сварочным работам.

Однако обычно производитель указывает значения сварочного тока, рекомендуемые для его электродов. Эта информация может быть найдена в документации к электродам либо на упаковке с электродами.

2.3.4 Выбор конструкции шва

1)исходя из следующих расчетов (см. стр.130[2]). При сварке стыковых швов площадь поперечного сечения металла, наплавленного за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования шва, должна составлять для первого прохода (при проварке корневого слоя) F₁ = (6–8)d_э , для последующих проходов – F_п = (8–12)d_э, где d_э – диаметр электрода. Для определения числа проходов в стыковых швах учитывают общую площадь поперечного сечения наплавленного металла (рис. 46):

F_н = 2F’+F’’+F’’’ = h²tg+bs+(2htg+b+6)

Число проходов определяют, учитывая общую площадь поперечного сечения металла при первом и каждом последующем проходе:

n= +1

2)выбор может осуществляться согласно ВСН [5] в соответствии с табл.16 (табл.13 в данной работе)

Таблица 13

Минимально допустимое число слоев шва в зависимости от толщины стенки трубы

Толщина стенки трубы, мм	Минимальное число слоев шва при сварке корневого слоя шва электродами с разным видом покрытия
целлюлозный	основной
До 10	3	2
Свыше 10-15	4	3
Свыше 15-20	5	4
Свыше 20-25	6	5
Свыше 25-32	7	6

Форма разделки, а точнее ее ширина определяет, будет ли шов состоять из одноваликовых слоев или из многоваликовых (см. п. 2.2.2).

При разработке технологии сварки необходимо определить еще один геометрический параметр стыка – зазор. Как и в случае с числом слоев, он может либо быть рассчитан, либо выбран из таблиц ВСН [5]:

Рис.47 К определению величины зазора при ручной дуговой сварке

x (см. рис. 47):

x = c+d–b+Lsin2α)

где x– толщина первого слоя шва, c – притупление, d – диаметр электрода, b – сварочный зазор, L– условная длина дуги, α – угол скоса кромок. Тогда при известной (заданной) толщине корневого слоя и остальных параметрах зазор будет равен:

b = 2tgα(c–x)+d+Lsin2α

2)ВСН[5] (табл.4[5]) устанавливает величину зазора в зависимости от толщины стенок трубы, диаметра и вида покрытия применяемых электродов

Таблица 14

Величина зазора при сборке

Способ сварки	Диаметр электрода или сварочной проволоки, мм	Величина зазора при толщине стенки трубы, мм
до 8	8-10	10 и более
Ручная дуговая сварка электродами с основным покрытием	2,0-2,5	1,5-2,5	-	-
3,0-3,25	2,0-3,0	2,5-3,5	3,0-3,5
Ручная дуговая сварка электродами с целлюлозным покрытием	3,0-3,25	1,5-2,0	-	-
4,0	-	1,5-2,5	1,5-2,5
Ручная дуговая сварка электродами с рутиловым покрытием*	2,0-2,5	1,5-2,5	-	-
3,0-3,25	2,0-3,0	2,5-3,5	3,0-3,5
* при сварке магистральных трубопроводов не используются

2.3.5 Определение скорости сварки

Рекомендуемая для нормального формирования шва скорость сварки зависит от параметров шва и силы сварочного тока. Она может быть вычислена по формуле:

v_св = α_нI_св

где α_н – коэффициент наплавки, ρ – плотность наплавленного металла, F_н – площадь поперечного сечения металла, наплавленного за данный проход. Скорость дуговой сварки обычно задают и учитывают косвенно по необходимым размерам получаемого шва. При разработке технологии сварки, исходя из условий получения минимальных деформаций сварных конструкций, возникает необходимость оценки погонной энергии в зависимости от размеров шва. Полученное значение скорости сварки позволяет определить величину теплового воздействия сварочной дуги на свариваемый металл – погонную энергию дуги q_п:

q_п = q/v_св = I_свU_дη/ v_св

где I_св,U_д – сварочный ток и напряжение дуги, η – эффективный КПД дуги.

2.4 Подготовительные операции

Непосредственно перед сваркой стыка необходимо провести подготовку. Она состоит из ряда последовательных операций, набор которых в конкретных условиях зависит от состояния труб, их диаметра, марки стали, климатических и погодных условий. В общем случае можно выделить визуальный осмотр кромок труб, очистку полости труб (трубных секций) правку и ремонт допустимых повреждений, а также удаление (вырезку) недопустимых, очистку кромок труб, сборку и предварительный подогрев.

2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб

Полость трубы необходимо очистить от грунта, снега, грязи и др. посторонних предметов. Очистку необходимо вести по всей длине трубы или секции для возможности беспрепятственного прохода центратора и особенно тщательно на расстоянии 1м от края торцов труб, т.к. попадание в зону сварки влаги от подтаявшего снега, грязи недопустимо. После очистки необходимо выполнить осмотр торцов труб. Допускается правка плавных вмятин на торцах труб глубиной до 3,5% диаметра труб и деформированных концов труб безударными разжимными устройствами (для этих целей может применяться безударное разжимное устройство УПВ-141, предназначенное для правки вмятин на трубах диаметром от 630 до 1420мм и толщиной стенки до 22мм; в качестве рабочего органа УПВ-141 использует гидравлический домкрат с усилием 300кН). При этом на трубах из сталей с нормативным временным сопротивлением разрыву до 539МПа (55 кгс/мм²) допускается правка вмятин и деформированных концов труб при положительных температурах без подогрева. При отрицательных температурах окружающего воздуха необходим подогрев на 100–150°С. На трубах из сталей с нормативным временным сопротивлением разрыву 539МПа (55кгс/мм²) и выше — с местным подогревом на 150–200°С при любой температуре окружающего воздуха. Участки и торцы труб с вмятиной глубиной более 3,5% диаметра трубы или имеющие надрывы необходимо вырезать. Допускается ремонт сваркой забоин и задиров фасок глубиной до 5мм. Концы труб с забоинами и задирами фасок глубиной более 5мм следует обрезать. Правку труб после газокислородной и воздушно-пламенной резки можно осуществлять только с предварительным подогревом до 150–200ºС, что связано с возможностью охрупчивания поверхности реза из-за образования закалочных структур и азотирования кромки.

После правки и ремонта необходимо провести зачистку кромок и прилегающих к ним наружной и внутренней поверхности труб абразивным инструментом на ширину не менее 10мм от стыка до металлического блеска. Зачистка позволяет удалить из зоны сварки возможные источники водорода, снизив вероятность образования трещин и пор. Если концы труб покрыты праймером или специальным покрытием, то перед зачисткой необходимо удалить их, а также различного рода масла бензином или специальным растворителем на глубину 40–50мм от торца.

2.4.2 Сборка стыка

После проведения зачистки торцов труб проводится сборка стыка. Операция эта является весьма ответственной, т.к. от нее во многом зависит качество будущего шва. Современные методы сварки позволяют получать качественные сварные соединения при условии обеспечения незначительных смещений кромок труб (2–3мм) во время сборочных операций. При расчете на прочность высота шва h принимается равной толщине основного металла, т. е. h = S, и шов считается равнопрочным основному металлу. Это достигается, когда основания свариваемых кромок труб лежат в одной плоскости РР (рис. 48). Если имеется отклонение (при заданном зазоре b) от номинального диаметра D_ном одной из сопрягаемых труб, то происходит смещение кромок. Смещение кромок по линии аа приводит к уменьшению расчетной высоты шва h и угла α (при сравнении отрезков ое и ос или углов α и α'). Поэтому возникает необходимость свести возможные отклонения к минимально допустимым. Несовпадение кромок труб при сварке плавлением, кроме уменьшения расчетной высоты шва, ухудшает условия равномерного прогрева и сплавления корня шва. В местах, где одна из кромок смещена по линии аа на значительную величину, часто наблюдаются несплавления и прожоги. Причинами несовпадения кромок при сборке стыков могут являться разнотолщинность и эллиптичность цельнотянутых труб, значительные отклонения по длине окружности сварных труб, местные вмятины, связанные с транспортировкой и разгрузкой, а также выхваты, вызванные неправильной обработкой концов труб. Эти отклонения вызывают необходимость дополнительной подгонки концов труб при сборке в трассовых условиях.

Процесс сборки труб под сварку предусматривает технологическую операцию – центровку, в результате которой две сопрягаемые трубы становятся соосными. При сборке прямолинейных труб в секции необходимо, чтобы их оси совпадали. Для сборки криволинейных труб требуется совпадение касательных (АО и ОС) к осям в точке О, являющейся

Рис.49 Схема центровки кривых под сварку

b собираемого стыка (рис. 49). Для обеспечения совпадения мнимых осей сопрягаемых труб используют их поверхности (а также линии и точки), которые обеспечивают требуемую ориентацию труб при центровке. Эти поверхности (линии и точки) называют базирующими элементами, а придаваемое трубе положение, определяемое базирующими элементами, называют ее базированием. При центровке труб в качестве базирующих элементов используют следующие поверхности и линии:

1)наружную цилиндрическую поверхность (НП);

2)внутреннюю цилиндрическую поверхность (ВП);

3)торцовую плоскость кромок (ТП);

Рис.50 Условие обеспечения соосности двух труб при сборке стыка

Можно считать, что совпадение соответствующих базирующих поверхностей, линий или точек одной и другой трубы или определенное их взаимное расположение обеспечит совпадение осей, соединяемых трубой. Рассмотрим несколько независимых условий, соблюдение которых позволит обеспечить качественную сборку соединяемых труб. В этом случае базирующие элементы первой трубы обозначим одним штрихом, а второй трубы — двумя штрихами. Условия соосности труб (рис. 50) можно записать следующим образом:

1)I – (НП)’(НП)’’

2)II – (ВП)’

3)III – (ТП)’

4)IV – 2(ОЛ)’2(ОЛ)’’ при 0 < α <(на рисунке не показано).

Здесь α – угол между опорами; — знак совпадения базирующих поверхностей, линий и точек.

Центровку труб выполняют различными механизмами и приспособлениями в зависимости от применяемого способа сварки. Условие I выполняется при центровке труб для дуговой сварки с применением кондукторов в виде опор, при сборке труб наружными центраторами и в зажимных устройствах электроконтактной сварки и т. п. Условие II получило широкое распространение при сборке, труб с применением внутреннего центратора. Условие III используют в том случае, когда торцовые плоскости перпендикулярны к оси трубы. Подобное условие выполняют при сборке труб различных диаметров, когда используют специальные переходы. Условие IV основано на совпадении линий или точек, его используют при центровке труб на сборочных кондукторах, которые изготовляют из труб или швеллеров. Сборку стыков при выполнении условия I особенно широко применяют при поворотной сварке стыков магистральных трубопроводов.

Согласно [6], в трассовых условиях при центровке стыков для РДС труб диаметром до 539мм могут применяться как наружные, так и внутренние центраторы, для труб диаметром 539мм и более может применяться только внутренний центратор. Сборка стыка с помощью наружного центратора для труб диаметром более 539мм допускается только в том случае, если применение внутреннего невозможно (например, при сварке захлестного стыка). При сборке стыков на наружных центраторах количество прихваток, равномерно распределенных по периметру стыка, и их длина зависят от диаметра трубы и должны соответствовать данным, приведенным в таблице 15. Режим сварки прихваток – как для корневого слоя шва.

Таблица 15

Количество прихваток и их длина при сборке стыка на наружном центраторе

Диаметр стыка, мм	Ориентировочное количество прихваток, не менее	Длина прихваток, не менее, мм
До 400	2	30…50
400…1000	3	60…100
1000…1400	4	100…200

При сборке стыков труб с одинаковой нормативной толщиной стенки должны соблюдаться следующие требования:

1)внутреннее смещение внутренних кромок бесшовных труб не должно превышать 2мм. Допускаются на длине не более 100мм местные внутренние смещения кромок труб, не превышающие 3мм. Величина наружного смещения в этом случае не нормируется, однако должен быть обеспечен плавный переход поверхности шва к основному металлу в соответствии с технологической картой. Оценку величины смещения внутренних кромок следует проверять непосредственным измерением с использованием шаблонов марки УПС-4;

2)смещение кромок электросварных труб не должно превышать 20% нормативной толщины стенки, но не более 3мм. Измерение величины смещения кромок допускается проводить по наружным поверхностям труб сварочным шаблоном. Для труб с нормативной толщиной стенки до 10мм допускается смещение кромок до 40% нормативной толщины стенки, но не более 2мм.

Непосредственное соединение на трассе разнотолщинных труб одного и того же диаметра или труб с деталями (этот вид работ относится к специальным сварочным работам) – тройниками, переходами, днищами, отводами – допускается при следующих условиях:

1)если разность толщин стенок стыкуемых труб или труб с деталями (максимальная из которых 12мм и менее) не превышает 2,5мм;

2)если разность толщин стенок стыкуемых труб или труб с деталями (максимальная из которых более 12мм) не превышает 3мм.

Рис.51 Конструктивные размеры разделки кромок и сварных швов разнотолщинных труб (разнотолщинностью до 1,5S

2.4.3 Предварительный подогрев

После окончания сборки стыка необходимо, если это предусмотрено проектом, провести предварительный подогрев. Он является важнейшей технологической операцией, позволяющей регулировать сварочный цикл при сварке. Структура, а значит, и свойства сварного соединения в значительной мере определяются скоростью охлаждения металла в диапазоне температур 800–500ºС. При охлаждении металла шва и зоны термического влияния с высокой скоростью появляется опасность образования закалочных структур, обладающих повышенной хрупкостью, а следовательно, склонностью к трещинообразованию. Особенно это относится к низколегированным сталям с эквивалентом углерода 0,45 и более (химический эквивалент углерода вычисляется по формуле:

С_э= C +

где C, Mn, Cr, Mo, V, Ti, Nb, Ni, Cu, B – содержание соответствующих элементов в % от массы в составе трубной стали).Эти стали весьма чувствительны к действию термического цикла, к надрезам и ударным нагрузкам; ЗТВ при сварке этих сталей склонна к повышенной хрупкости. Наиболее ярко эти явления наблюдаются при РДС, когда значение погонной энергии q/vмало, из-за чего скорость охлаждения велика. При заданной толщине стенки регулировать скорость охлаждения околошовной зоны можно, изменяя начальную температуру металла предварительным подогревом. Особенно это важно при сварке целлюлозными электродами, когда скорость охлаждения корневого слоя максимальна по сравнению со скоростью охлаждения других слоев шва, уменьшена погонная энергия сварки и увеличена склонность к образованию трещин вследствие наводораживания металла шва. Предварительный подогрев уменьшает скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны и не только способствует образованию равновесных структур в этой зоне, но и создает благоприятные условия для активизации диффузии водорода. Необходимость и температура предварительного подогрева выбираются в соответствии с табл.6,7 [5] (требования этих таблиц не распространяются на термоупрочненные стали). При сварке корневого слоя шва термически упрочненных труб с нормативным пределом прочности 637 МПа (65 кгс/мм²) электродами с целлюлозным видом покрытия независимо от температуры окружающего воздуха необходим предварительный подогрев стыка до температуры не ниже +100°С, но не выше +200°С; при сварке корневого слоя шва электродами с основным видом покрытия при температуре окружающего воздуха +5°С и ниже температура кромок труб стыка непосредственно перед сваркой должна быть не ниже +50°С, но не более +200°С

Таблица 16

Температура предварительного подогрева при сварке корневого слоя шва электродами с целлюлозным видом покрытия

Эквивалент углерода металла труб,%	Температура предварительного подогрева,ºС, при толщине стенки трубы,мм
7,1…8	8,1…9	9,1…10	10,1…11	11,1…12	12,1…13	13,1…14	14,1…15	15,1…16	16,1…17	17,1…18	18,1…19	19,1…20	20,1…21	21,1…22	22,1…23	23,1…24	24,1…25	25,1…26
0,32–0,36	н	н	н	н	н	н	н	н	н	-15º/100	-10º/100	-5º/100	0º/100	100	100	100	100	100	100
0,37–0,41	н	н	-20º/100	0º/100	+20º/100	100	100	100	100	100	100	150	150	150	150	150	150	150	150
0,42–0,46	н	-10º/100	+20º/100	100	100	150	150	150	150	150	150	150	150	200	200	200	200	200	200
0,47–0,51	+20º/100	100	100	150	150	150	200	200	200	200	200	200	200	200	200	200	200	200	200

Таблица 17

Температура предварительного подогрева при сварке корневого слоя шва электродами с основным видом покрытия

Эквивалент углерода металла труб,%	Температура предварительного подогрева,ºС, при толщине стенки трубы,мм
До 10	10,1…11	11,1…12	12,1…13	13,1…14	14,1…15	15,1…16	16,1…17	17,1…18	18,1…19	19,1…20	20,1…21	21,1…22	22,1…23	23,1…24	24,1…25	Более 25
0,37…0,41	н	н	н	н	н	н	-35º/100	-25º/100	-15º/100	-10º/100	0º/100	100	100	100	100	100	100
0,42…0,46	н	н	н	-35º/100	-15º/100	0º/100	+10º/100	100	100	100	100	100	100	100	100	100	100
0,47…0,51	н	-20º/100	0º/100	100	100	100	100	100	150	150	150	150	150	150	150	150	150

В таблицах 16 и 17 приняты обозначения:

- подогрев не требуется

-20º/100

- подогрев при температуре окружающего воздуха ниже указанной в левой части до температуры, указанной в правой части

100

- подогрев до указанной температуры при любой температуре окружающего воздуха

Непосредственно перед сваркой производится просушка кольцевыми нагревателями торцов труб и прилегающих к ним участков шириной не менее 150мм. Просушка торцов труб нагревом до температуры 20–50°С обязательна:

1)при наличии влаги на трубах независимо от способа сварки и прочности основного металла;

2)при температуре окружающего воздуха ниже +5°С в случае сварки труб с нормативным временным сопротивлением разрыву 539МПа (55кгс/мм ) и выше

Если по условиям необходимы и просушка, и подогрев, то обязательной является только последняя операция. Перед возобновлением сварки незавершенного стыка труб при температуре окружающего воздуха +5°С и ниже, а также при наличии влаги стык должен быть просушен.

Температуру предварительного подогрева перед сваркой труб из различных марок сталей или разностенных труб, каждая из которых должна быть подогрета на различную температуру, устанавливают по ее максимальному значению. Температуру подогрева свариваемых кромок нужно контролировать контактными термометрами. Замерять температуру следует на расстоянии 10-15мм от торца трубы; место замера необходимо предварительно зачистить металлической щеткой. Если при замере температуры непосредственно перед сваркой будет обнаружено, что температура стыка оказалась ниже установленной в табл. 16 и 17, то необходим повторный нагрев.

2.5 Схемы и методы производства сварочно-монтажных работ

В зависимости от вида выбранных электродов можно выделить две схемы сварки:

1)сварка всего стыка электродами с основным видом покрытия;

2)сварка корня шва и «горячего прохода» электродами с целлюлозным видом покрытия, а остальных слоев – электродами с основным видом покрытия.

В зарубежной практике нашла применение схема, в соответствии с которой весь стык варится целлюлозными электродами. В России она не применяется.

Монтаж и сварку неповоротных стыков магистральных трубопроводов выполняют, в основном, четырьмя методами:

1)первый метод – элементарный. Его используют при небольших объемах работ и малых диаметрах труб (325…529 мм). Нитку трубопровода наращивают из отдельных труб или секций с выполнением всех слоев шва одним сварщиком. Он выполняет сварку собранного и прихваченного стыка от начала до конца в разных пространственных положениях. В этом случае сварку первого слоя шва выполняют сначала с одной стороны стыка, а затем с другой. После зачистки корневого слоя от шлака аналогично сваривают второй и последующие слои. Существенным недостатком этого метода сварки является низкая производительность, которая обусловлена необходимостью перехода с одной стороны стыка на другую, а также перетаскиванием сварочного кабеля и инструмента. От сварщика требуется высокая квалификация и универсальность.

2)второй метод – метод с простым расчленением – применяют при бόльших объемах работ и сварке трубопроводов значительных диаметров. Обычно одна пара сварщиков работает со сборщиками на сборке и сварке корневого слоя шва, а остальные две пары или тройки сварщиков сваривают каждая свою часть стыка до конца, начиная со второго слоя.

3)третий метод сборки и сварки неповоротных стыков трубопроводов – поточно-групповой – применяется при очень больших объемах работ. Поточно-групповой метод с использованием электродов с целлюлозным покрытием широко распространен в зарубежной практике строительства магистральных трубопроводов. В отечественном трубопроводном строительстве этот метод часто применяют в сочетании со вторым методом и использованием электродов с основным покрытием. Процесс сборки и сварки неповоротных стыков труб при поточно-групповом методе проводится последовательно в несколько этапов:

а)на первом этапе подготовительное звено разгружает секции труб с плетевозов и укладывает их вдоль бровки траншеи, очищает полости секций труб от наледи, земли, снега, посторонних предметов. При необходимости правят вмятины и обрезают торцы труб. Зачищают кромки труб шлифовальными машинками или резцами и собирают стыки с помощью центраторов, обеспечивая необходимый зазор между кромками для сварки;

б)на втором этапе выполняют предварительный подогрев и сварку корневого слоя шва или накладывают прихватки длиной 80…100 мм на расстоянии 300…380 мм один от другого. Сварку корневого слоя шва выполняют электродами с целлюлозным покрытием в направлении «сверху вниз». Затем выполняют сварку «горячего» прохода те же сварщики (2…4 человека в зависимости от диаметра), которые выполнили корневой слой. После сварки корневого слоя шва поверхность валика тщательно очищают абразивным кругом с помощью шлифмашинки. После этого конец секции опускают на опору и трубоукладчик идет за новой секцией. Центратор перемещают на позицию центровки.

в)на третьем этапе проводят сварку третьего и других заполняющих слоев (в зависимости от толщины стенки трубы). В этом случае одновременно могут работать на стыке два, три или четыре сварщика, общее число которых зависит от темпа прокладки трубопровода. При сварке труб диаметром 1020— 1420 мм наибольший эффект достигается при работе трех или четырех сварщиков, что позволяет сократить фронт работ вдоль трассы трубопровода. Для сварки применяют электроды с основным покрытием, начиная работу с нижней точки и заканчивая в верхней части стыка.

г)на четвертом этапе выполняют облицовочный слой несколько сварщиков подобно сварке заполняющих слоев.

Сварку заполняющих и облицовочного слоев шва осуществляют электродами с основным покрытием диаметром 4мм. Для увеличения производительности в верхней полуокружности трубы целесообразно использовать электроды диаметром 5мм. Сварку необходимо вести с меньшей длиной дуги, что предохраняет от возникновения пор в потолочном и вертикальном положениях. При сварке в потолочной части стыка замок следует сместить на 50–60мм от нижней части окружности трубы. В двух смежных слоях замки должны отстоять на расстоянии 50–100мм друг от друга. Электроды с основным покрытием образуют на поверхности швов трудноудаляемый шлак, который снимают с помощью шлифовальных машинок с последующей зачисткой металлическими щетками.

4)четвертый метод сборки и сварки стыков магистральных трубопроводов – поточно-расчлененный – применяют в нашей стране и за рубежом. Он предусматривает специализацию одного звена сварщиков по выполнению корневого слоя шва электродами с целлюлозным покрытием и другого звена сварщиков, выполняющих «горячий» проход электродами с тем же покрытием. Целесообразно операцию ручной зачистки кромок заменить использованием станков СПК, т.к. это сокращает время зачистки. Дальнейшие операции выполняют в той же последовательности, что и при поточно-групповом методе. Для поточно-расчлененного метода характерно, что каждый сварщик выполняет определенный участок шва без регулирования режима. Увеличения производительности и снижения продолжительности сварки можно достичь использованием повышенных значений сварочного тока и диаметров сварочных электродов. Применение этих приемов в зарубежной практике сокращает время сварки на 25–30%.

Наиболее распространенным в настоящее время в России является поточно-групповой метод в сочетании со второй схемой сварки.

2.6 Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали

2.6.1 Сварка трубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности

В отечественной и зарубежной практике трубопроводного строительства и резервуаростроения все чаще применяют стали с пределом прочности 550–750МПа, что способствует уменьшению металлоемкости конструкций. Применение микродобавок ванадия, ниобия и титана позволило значительно повысить механические свойства стали за счет выделения карбидных и карбонитридных фаз. Эти стали (14Г2АФ, 15ГСТЮ, 16Г2АФ, 16Г2САФ, 17Г2АФ и т. п.) более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях охлаждения в них появляются неравновесные структуры закалочного характера и холодные трещины. При разработке технологии сварки сталей повышенной и высокой прочности рассчитывают тепловой режим, при котором предотвращается образование мартенсита и закалочных трещин; выбирают сварочные материалы, обеспечивающие высокую технологическую прочность наплавленного металла и равнопрочность его с основным металлом. Эти вопросы обычно рассматривают в следующей последовательности:

1)проводят расчеты режима сварки по условиям проплавления, которые не отличаются от аналогичных расчетов при сварке незакаливающихся сталей;

2)пользуясь диаграммами термокинетического или изотермического распада аустенита для принятой стали, определяют допустимую скорость охлаждения металла при сварке. Для этого рассчитывают критическую скорость охлаждения;

3)найденную скорость сравнивают с мгновенной скоростью охлаждения, полученной по формулам.

При этом стремятся получить перлитную структуру. Требуемый тепловой режим сварки можно обеспечить соответствующим установлением погонной энергии процесса q/v_св или введением в технологический процесс подогрева металла перед сваркой или в процессе сварки. Возможность выбора погонной энергии процесса в значительной степени зависит от способа сварки. Для ручной сварки она может быть в пределах 4–40кДж/см, а для автоматической сварки под флюсом – 16–100кДж/см. Применение режимов с большими погонными энергиями предотвращает закалку, но приводит к чрезмерному перегреву основного металла в околошовной зоне, что неприемлемо для этих сталей. При сварке корневого слоя шва стыков трубопроводов электродами с основным покрытием диаметром 3–3,25мм погонная энергия составляет 10кДж/см, а при сварке электродами с целлюлозным покрытием диаметром 4мм – 6кДж/см. В этом случае минимальную температуру стыка и критическую скорость охлаждения можно установить из рассмотрения зависимости минимально допустимой начальной температуры от толщины металла и эквивалента углерода (см.стр.136 [2]).

На образование закалочных трещин отрицательную роль играет растворенный в металле водород, причем тем более сильную, чем больше эквивалент углерода свариваемой стали. Поэтому при выборе электродов для сварки корневого слоя шва это положение необходимо учитывать. При сварке электродами с целлюлозным покрытием предъявляют более жесткие требования к температурному режиму монтажного стыка до начала и в процессе работы, к шлифовке металла корневого слоя шва, а также к технике выполнения второго слоя шва.

2.6.2 Сварка термически уплотненных сталей

Для сооружения магистральных трубопроводов с 1974 г. в нашей стране применяют термически упрочненные трубы из низколегированной стали 17Г2СФ, 17Г1С, 16ГБР, 16ГФР и др. При сварке термически упрочненных сталей в зоне термического влияния образуется участок, имеющий меньшую прочность, чем основной металл. Одним из основных показателей пригодности термически упрочненного металла является его стойкость против разупрочнения в результате воздействия термического цикла сварки. При оценке свариваемости термически упрочненных труб из низколегированных сталей необходимо учитывать наличие двух основных участков неоднородности в зоне термического влияния.

Участок полной перекристаллизации, нагреваемый выше температуры Ас₃, свойства которого определяются в первую очередь химическим составом свариваемой стали, максимальной температурой нагрева, длительностью пребывания металла выше температуры Ас₃, претерпевает полиморфные превращения. Хотя структура металла и является полностью аустенитной при высоких скоростях охлаждения и температуре более 40°С, характерных для сварки корневого слоя шва, в интервале температур 500–600°С в околошовной зоне могут образоваться структуры промежуточного распада, способствующие увеличению склонности сварных соединений к образованию холодных трещин и снижению ударной вязкости. Второй участок разупрочнения в зоне термического влияния образуется в результате нагрева термоупрочненных сталей до температуры Ас₁–Ac₃, что связано в основном с активацией процессов коагуляции карбидов. На параметры этого участка влияет соотношение скорости закалки стали и действительной скорости охлаждения металла при сварке. Характер разупрочнения индивидуален для каждой марки стали и зависит от ее химического состава, температуры отпуска после закалки и режимов сварки. По типу разупрочнения сварные соединения можно разделить на три группы:

1)с минимальной прочностью на участке перекристаллизации, когда действительная скорость охлаждения намного меньше критической;

2)с минимальной прочностью на участке отпуска, когда скорость охлаждения равна или больше критической;

3)с двумя минимумами — на участке отпуска и нормализации, когда скорость охлаждения несколько ниже критической.

Изменяя скорость охлаждения, можно получить любой из трех типов разупрочнения. Проверка склонности сварных соединений к образованию холодных трещин показала, что сварные соединения стали 16ГФР обладают большей склонностью к трещинообразованию, чем стали 17Г1С и 17Г2СФ.

При сварке термически упрочненных сталей необходимую температуру подогрева определяют с использованием химического эквивалента углерода С_э, вычисленного по формуле (64) СНИП[4]:

С_э= C +

где C, Mn, Cr, Mo, V, Ti, Nb, Ni, Cu, B – содержание соответствующих элементов в % от массы в составе трубной стали.

Для обеспечения требуемой работоспособности сварных соединений корневой слой шва выполняют электродами, имеющими σ_в = 630–660Мпа, а заполняющие слои и облицовочный — электродами с σ_в = 810–860МПа. При этом обеспечивается минимальная зона разупрочнения не более 6мм. Погонная энергия сварки должна быть не более 1,89·10⁴Дж/см, а температура предварительного подогрева не должна превышать 250°С.

3 Патентные изыскания

Любая технология, даже самая современная и прогрессивная, со временем устаревает. Процесс этот неизбежен, и в результате него снижается эффективность применения этой технологии, что само по себе весьма нежелательно. Существует два возможных пути решения этой проблемы:

1)прекращение использования технологии и внедрение новой;

2)совершенствование используемой технологии для постоянного поддержания ее на требуемом техническом уровне.

Все вышесказанное справедливо и для ручной дуговой сварки. Этот метод в значительной мере устарел, и требуется модернизация. Как было показано во введении, отказ от использования РДС и переход к новым технологиям автоматической сварки на сегодняшний день не обоснован. Следовательно возможным путем повышения эффективности использования ручной дуговой сварки является ее усовершенствование. Наилучшим образом это усовершенствование можно осуществить путем внедрения различного рода технических новинок. Передовая техническая мысль всегда была отражена в патентах, следовательно их изучение целесообразно для модернизации технологии. С этой целью был выполнен патентный поиск глубиной 10 лет и отбраны несколько решений, внедрение которых может благоприятно сказаться на повышении эффективности применения РДС.

Найденные решения, в основном, касаются технологической оснастки для сварки. Внедрение подобных новинок может особенно эффективно повлиять на технологию, поскольку при ручной дуговой сварке большой значение имеют эргономические факторы.

Все отобранные патентные решения представлены в приложении 1

Заключение

После рассмотрения существующих способов сварки магистральных трубопроводов и анализа технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков в трассовых условиях (в том числе и нормативной литературы, регламентирующей эту технологию), можно сделать некоторые оценки и выводы.

Распространенность метода ручной дуговой сварки при строительстве магистральных трубопроводов объясняется его универсальностью и освоенностью, сравнительной технологической простотой а также экономическими факторами, основным среди которых является относительная на сегодняшний день дешевизна метода по сравнению с автоматическими методами сварки.

К недостаткам метода можно отнести сравнительно невысокую производительность, пониженное качество сварного соединения, зависимость качества выполения работ от субъективных причин («человеческий фактор»). При всем этом следует учитывать, что несмотря на все свои недостатки, ручная дуговая сварка на сегодняшний день – оптимальный выбор для ведения сварочно-монтажных работ на трассе. Поэтому все отрицательные качества метода долны рассматриваться не с точки зрения причины, по которой следует прекратить использование РДС, а с позиции критики, направленной на улучшение технологии. Иными словами, необходимо выявить недостатки, выяснить их причину и постараться найти пути по их устранению

Большое время ведения работ при использовании ручной дуговой сварки– один из главных недостатков метода. Весьма весомым тормозящим фактором является подварка трубы изнутри. Несмотря на то, что при сварке электродами с целлюлозным видом покрытия нормами не устанавливается ее обязательность, на деле подварка очень часто необходима. В частности, при строительстве нефтепровода Суходольная – Родионовская в начале работ она не велась, и как результат подавляющее большинство неподваренных стыков по результатам рентгеноскопического контроля было признано негодными и требующими ремонта. После этого на каждом стыке выполнялась визуальная подварка. Покольку по технологическим причинам она возможна только после освобождения жимков центратора, что, в свою очередь, производилось только после окончания сварки «горячего» прохода по всему периметру, тормозился темп движения головного звена, вынужденного ожидать окончания подварки. Время подварки могло составлять до 20-30% от шага потока (6-10 минут при строительстве нефтепровода Суходольная – Родионовская), что, конечно же, не являлось положительным фактором. Причина может крыться в некачественном выполнении сборочных операций. В результате несоблюдения технологического регламента по сборке, не создвались условия для благоприятного формирования шва: собранный с отклонениями от норматива стык не обеспечивал удовлетворительного теплоотвода, что могло вести к непроплавлению кромок. Решение данной проблемы весьма банально, но очень актуально для России – жесткий пооперационный контроль.

Зависимость качества выполнения работ от субъективных причин имеет место при любом виде работ, выполняемом вручную. Сварка не является исключением из правил. Только профессионалы высокого уровня могут ограничить влияние различных непроизводственных (проще говоря, житейских) или околопроизводственных факторов на свою работу. В основном же, различные обстоятельства могут значительно ухудшить качество ведения работ и вызвать снижение производительности. Главным образом, сказывается влияние четкого или нечеткого обслуживания и жизнеобеспечения членов сварочной бригады. Таким образом, правильная организация производства и обеспечение непроизводственной сферы – весьма действенный способ снижения влияния «человеческого фактора»

С целью повышения эффективности и качества проведения работ рекомендуется применение новейших технических средств оснастки, некоторые из которых приведены в данной работе в разделе патентных изысканий. Подобные меры особенно эфективны при ручной дуговой сварке, поскольку значительное влияние на качество работ и производительность труда сварщиков оказывают эргономические факторы. Использование различных технических новинок может снизить утомляемость сварщиков, улучшить условия их труда и т.п.

Анализ нормативной документации, регламентирующей сварочно-монтажные работы при строительстве магистральных трубопроводов по казал необходимость ее обновления. В частности, это касается основного подобного документа – ВСН 006-89. Составлялся и утверждался он уже 13 лет назад. За это время видоизменились как некоторые из технологий, так и условия их применения в современном строительстве. И хотя большинство положений данного документа используется в неизменном виде, некоторые моменты требуют модернизации. В строительстве магистральных газопроводов произошли подвижки в этом вопросе: был выпущен документ, учитывающий произошедшие изменения – Свод правил по сооружению магистральных газопроводов СП 105-34-96. В нефтяной отрасли такой документ только готовится.

Существенного прироста скорости и качества выполнения работ можно достичь применением автоматических методов сварочно-монтажных работ, однако использование их, особенно в современных условиях в России, должно быть обосновано. С развитием страны экономики страны автоматические методы сварки несомненно получат большее распространение, нежели в настоящее время.

С учетом вопроса физико-механических и эксплуатационных свойств сварного соединения наиболее предпочтительными являются методы сварки, при которых минимальны тепловложения. Этого можно достичь большой концентрированностью источника теплоты. Ручная дуговая сварка с этой точки зрения находится на весьма невыгодных позициях, опережая только лишь устаревшую газовую сварку. Наиболее эффективными являются лазерная сварка и сварка электронным лучем. Однако оборудование для реализации подобных методов на практике пока является весьма сложным, поэтому более перспективны с позиции сегодняшнего дня дуговые методы сварки.

Для сварки поворотных стыков уже сейчас очень широко применяется автоматическая сварка под слоем флюса (она была использована и в этом проекте). Наиболее перспективным методом сварки неповоротных стыков сейчас является автоматическая электродуговая сварка в среде защитных газов (ее принцип реализован в оборудовании фирмы CRC-Evans, также применявшемся при сооружении одного из участков нефтепровода Суходольная – Родионовская.).

Вполне можно ожидать широкого использования автоматической электродуговой сварки с принудительным формированием шва. В советское время принцип ее был реализован при создании комплексов оборудования «Стык-1» и «Стык-2». Возрождение этой технологии скорее всего будет связано с использованием порошковой проволоки фирмы «Lincoln Electric».

Довольно неопределенным и туманным является положение дел с электроконтактной сваркой оплавлением. Сама по себе эта технология является весьма перспективной, тем более, что комплекс оборудования (комплекс «Север-1») для сварки этим способом в советское время уже был разработан, а сама технология получила официальное одобрение, будучи разрешенной и рекомендованной к применению нормативными актами, регламентирующимими проведение сварочных работ (в частности, ВСН 006-89). Однако в связи с развалом СССР и ухудшением экономического положения в стране оборудование было утеряно, соответственно использование этого метода прекратилось, а значит прекратилось и накопление опыта и результатов работы с методом, необходимое для выявления и устранения многочисленных недоработок оборудования, имевших место (что характерно для любого нового оборудования, реализующего принципиально новые технологии). Таким образом, использование этой безусловно эффективной в принципе технологии требует выполнения двух задач:

1)восстановления старого или строительство нового оборудования, что экономически весьма трудно (для сравнения можно сказать, что стоимость в советское время трубосварочной базы БТС-142В составляла порядка 150 тыс. рублей, стоимость же комплекса «Север-1» – более миллиона рублей);

2)«доработка» этого оборудования, т.е. устранение наиболее серьезных недостатков комплекса, которые могут быть выявлены только в процессе его эксплуатации.

С учетом этих фактов и в ситуации, когда существует множество других технологий, не требующих таких капитальных вложений, можно предположить, что «реанимации» метода не произойдет и он не получит распространения.

Вытеснение ручной дуговой и внедрение автоматических методов для сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов является всего лишь вопросом времени. Однако полного исчезновения РДС ожидать вряд ли приходится, поскольку она незаменима при специальных сварочных работах, и даже в свете развития перспективных методов сварочно-монтажных работ, ручная дуговая сварка будет являться основной в ближайшие годы в трубопроводном строительстве России.

Список литературы

1. В.Н.Волченко, В.М.Ямпольский, В.А.Винокуров, под ред. В.В.Фролова. Теория сварочных процессов.- М.: Высшая школа, 1988.- 559 с.

2. В.Л.Березин, А.Ф.Суворов. Сварка трубопроводов и конструкций.- М.: Недра, 1983.- 328 с.

3. К.И.Зайцев, И.А.Шмелева. Сварка магистральных, промысловых трубопроводов и резервуаров.- М.: Недра, 1985.- 231с.

4. СНИП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы.- М.: Минстрой, 1997

5. ВСН 006-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка.- М.: Миннефтегазстрой, 1990

6. СНИП III-42-80*. Магистральные трубопроводы.- М.: Минстрой, 1997

7. Акулов А. И., Бельчук Т. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудование сварки плавлением. М., Машиностроение, 1977.

8. Афанасьев В. А., Бобрицкий Н. В. Сооружение резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1981.

9. Багрянский К. В., Добротина 3. А., Хренов К. К- Теория сварочных процессов. Киев, Вища школа, 1976.

10. Бродский А. Я., Евстратов Г. И., Фридман А. М. Сварка арматуры железобетонных конструкций на строительной площадке. М., Стройиздат, 1978.

11. Евсеев Г. Б., Глизманенко Д. Л. Оборудование и технология газоплазменной обработки металлов и неметаллических материалов. М., Машиностроение, 1974.

12. Контроль качества сварки. Под ред. В. Н. Волченко. М., Машиностроение, 1975.

13. Лифшиц В. С., Литвинчук М, Д. Прессовые методы сварки магистральных и промысловых трубопроводов. М., Недра, 1970.

14. Николаев Г. А., Куркин. С. А., Винокуров В. А. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. М„ Высшая школа, 1971.

15. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для контактной сварки. М., Машиностроение, 1969.

15. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов. М., Высшая школа, 1977.

16. Походня И. К-, Суптель А. М., Шлепаков В. Н. Сварка порошковой проволокой. Киев, Наукова думка, 1972.

17. Потапьевский А. Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М., Машиностроение, 1974.

18. Румянцев С. В., Добромыслов В. А., Борисов О. И. Типовые методики радиационной дефектоскопии и защиты. М., Атомиздат, 1979.

19. Свиридова Т. А., Привалов Ю. А. Монтаж шаровых резервуаров. М., Стройиздат, 1980.

20. Современные способы сварки магистральных трубопроводов плавлением/А. Г. Мазель, В. Ф. Тарлинский, М. 3. Шейнкин и др. М., Недра, 1979-

21. Суворов А. Ф., Лялин К. В. Сооружение крупных резервуаров. М., Недра, 1979.

22. Таран В. Д. Сварка магистральных трубопроводов и конструкций. М„ Недра, 1970.

23. Теоретические основы сварки. Под ред. В. В. Фролова. М., Высшая школа, 1970.

24. Технология и оборудование контактной сварки/ Б. Д. Орлов, Ю. В. Дмитриев, А. А. Чакалев и др. М., Машиностроение, 1975.

25. Технология и оборудование сварки плавлением/Г. Д. Никифоров, Г. В. Бобров, В. М. Никитин и др. М., Машиностроение, 1978.

26. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Б. Е. Патона. М., Машиностроение, 1974.

27. Антикайн П. А., Зыков А. К. Изготовление объектом котлонадзора (справочное издание). М., Металлургия, 1980.

28. Блинов А. Н., Лялин, К.. В. Организация и производство сварочно-монтажных работ. М., Стройиздат, 1982.

29. Гаген Ю. Г., Воробьев Н. А. Сварка магистральных трубонроиодов. М., Недра, 1976.

30. Зайцев К. Я., Шмелева И. А. Справочник по сварочно-монтажным работам при строительстве трубопроводов. М., Недра, 1982.

31. Зиневич А. М., Прокофьев В. И., Ментюков В. П. Технология и организация строительства магистральных трубопроводов больших диаметров. М., Недра, 1979.

32. Ольшанский Н. А., Шейкин М. 3., Аль-Ради С. X. Перспективы применения электронно-лучевой сварки при строительстве магистральных трубопроводов. — В сб. «Технология сварки магистральных трубопроводов дуговым методами». М., изд. ВНИИСТ, 1982.

33. Отечественный трубопроводный транспорт /Б. Е. Щербина, Ю. И. Боксерман, В. А. Динков и др. М., Недра, 1981.

34. Автоматическая сварка неповоротных стыков труб большого диаметра самозащитной порошковой проволокой с применением комплекса "Стык"/ /Б.Е. Патон, И.К. Походня, В.Я. Дубовецкий и др.-Строительство трубопроводов, 1981. №2.

35. Александров А. Г., Заруба И.И., Пиньковский И.В. Эксплуатация сварочного оборудовании. Киев, Будивельник, 1982.

36. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. М., Высшая школа, 1982.

37. Дуговая сварка стальных трубных конструкций/И.А. Шмелева, М.З. Шейнкин, И.В. Михайлов и др. М., Машиностроение, 1986.

38. Перунов Б.В., Кушнаренко В.М., Пауль А,И. Качество и надежность сварных соединений трубопроводов, транспортирующих сероводородосодержащие продукты. – Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, 1980, №6.

39. Сидлин З.А., Тарлинский В.Д. Современные типы покрытых электродов и их применение для дуговой сварки сталей. М., Машиностроение, 1984.

40. Схемы комплексной механизации по строительству промысловых трубопроводов Р 532-84, М., изд. ВНИИСТ, 1984.

41. Тарлинский В.Д., Рогова Е.М. Сварочно-монтажные работы при сооружении компрессорных и насосных станций. М., Недра, 1985.

42. Тарлинский В.Д., Михайлицын С.В. Оценка эффективности различных способов ручной дуговой сварки. – Строительство трубопроводов, 1983, № 10.

43. Технология и организация перевозки, погрузки, разгрузки и складирования труб больших диаметров при строительстве нефтегазопроводов. М., изд. ВНИИСТ, 1982.

44. Шейнкин М.З. Повышение эффективности монтажа магистральных трубопроводов на основе автоматизации дуговой сварки. – Строительство трубопроводов, 1984, №6.