Отчет по практике: Оценка свариваемости, выбор конструкций сварных соединений и сварочных материалов для ручной дуговой сварки стали 16 ГНМА перлитного класса

Институт машиностроения, материалов и транспорта

Высшая школа физики и технологии материалов

ОТЧЁТ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАДАНИЮ №1

ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ, ВЫБОР КОНСТРУКЦИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛИ 16ГНМА ПЕРЛИТНОГО КЛАССА

по направлению 22.02.03 «Металлургия»

по образовательной программе 22.02.03_15 «Металлургические технологии»

Выполнил студент группы

3332202/01501 Н.А. Опарин

Отчёт проверил доцент ВШФиТМ,

С.Г. Паршин д-р техн. наук

Задание

сталь свариваемость углеродный перлитный

1) Определить химический состав и механические свойства стали перлитного класса 16ГНМА по марочнику сталей [17],

2) Оценить свариваемость стали по эквиваленту углерода, оценить склонность стали к образованию холодных трещин и при необходимости рассчитать температуру подогрева,

3) Определить по каталогу ООО «НПК СВАРЭЛЕКТРОД (Россия), каталогу «ESAB» (Швеция) и каталогу «Lincoln Electric» (США) сварочные материалы, подходящие по химическому составу и механическим свойствам наплавленного металла для сварки изделий заданной стали,

4) Выбрать из ГОСТ 5264 конструкции 3-х сварных стыковых и 3 -х тавровых соединений для сварки листов толщиной 6,12 и 25 мм,

5) Сделать эскизы сварных швов с указанием валиков, слоев и размеров.

Оглавление

Задание

Химический состав и механические свойства стали 16ГНМА

Оценка свариваемости стали

Определение типа электродов

Выбор конструкции соединений

Список литературы

Химический состав и механические свойства стали 16ГНМА

Данная сталь в соответствии с ОСТ 108.030.118-78 [18] в виде листов применяется для барабанов котлов высокого давления и в соответствии с ОСТ 108.030.113-87 деталей энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа для тепловых и атомных станций. Сталь является низкоуглеродистой низколегированной теплоустойчивой.

В данной работе будет рассмотрена сварка листов толщиной до 100 мм. Соответственно, химические свойства стали по ОСТ 108.030.118-78 приведены в таблице 1 по марочнику сталей [17]:

Таблица 1

Массовая доля элементов, %, по ОСТ 108.030.113-87 - лист

Механические свойства стали по ОСТ 108.030.118-78 приведены в таблице 2 по марочнику сталей [17]:

Таблица 2

Механические свойства стали при комнатной температуре по ОСТ 108.030.113-87 - лист

Оценка свариваемости стали

Под свариваемостью понимается совокупность свойств стали соединяться тем или иным методом сварки, обеспечивая надежное сварное соединение, отвечающее предъявленным требованиям и способное без разрушения выдержать расчетные нагрузки в течение длительного периода эксплуатации.

Для оценки свариваемости сталей можно воспользоваться показателем эквивалента углерода, который рассчитывается по формуле, рекомендованной международным институтом сварки (МИС). Расчёт производится по средним массовым долям химических элементов в стали:

, (1)

где - процентное содержание в наплавленном металле сварного шва, соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля и меди.

Откуда:

.

При стали имеют плохую свариваемость, такая сталь склонна к образованию холодных трещин даже при подогреве. Следует отметить, что марочник [17] относит данную сталь к ограниченно свариваемой, поэтому следует воспользоваться еще одним методом определения эквивалента углерода. Метод Д. Сефериана учитывает в отличие от предыдущего метода толщину свариваемого металла:

, (2)

Подставляя вместо индексов их процентное содержание в стали получим:

,

Толщина металла учитывается формулой:

, (3)

где - толщина свариваемого металла в мм.

Используем значения толщина для наиболее толстых свариваемых пластин в данной работе 25 мм:

,

Полный эквивалент углерода определяется по данной формуле:

. (4)

Откуда:

.

Следовательно, данная сталь обладает ограниченной свариваемостью, что означает необходимость проведения предварительного подогрева и высокий отпуск после сварки.

Расчет по формулам Сефериана дает более точные результаты, поэтому будем придерживаться данных результатов.

Быстрое охлаждение участков околошовной зоны приводит к резкой их закалке, что сопровождается снижением пластичности и появлением в некоторых случаях трещин. Чтобы исключить подкалку при сварке этих сталей, применяют подогрев. Для определения температуры предварительного подогрева используют формулу, использующую значения эквивалента углерода, рассчитанное по Д. Сефериану:

, (5)

где - эквивалент углерода, рассчитанный по формуле Д. Сефериана.

Откуда:

Существует также второй метод расчета температуры подогрева, который определяется с учетом содержания водорода в стали. Показатель склонности стали к образованию трещин равен (следует отметить, что данным методом пользуются, если предел текучести стали более 500 МПа, предел текучести нашей стали 325 МПа):

(6)

, (7)

, (8)

где H - содержание диффузионного водорода в наплавленного металла; - содержание бора в стали.

Температуру предварительного подогрева рассчитывают по следующей формуле:

. (9)

По ПНАЭ Г-7-009-89 «Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок» [15] содержание водорода в наплавленном металле для стали 16ГНМА не должно превышать 2,5 наплавленного металла. Содержание бора определить не удалось, поэтому примем, что бор в данной стали отсутствует. Откуда получаем:

,

,

,

.

Исходя из результатов двух расчетов температур предварительного подогрева, имеем диапазон температур 126 - 149. Правильно в данном случае будет выбрать среднее значение данных температур .

Подогрев позволит уменьшить возникновение закалочных структур мартенсита.

После сварки таких сталей рекомендуется производить низкотемпературный отдых в течение 8-10 часов, что позволит уменьшить уровень остаточных напряжений и содержание водорода.

Склонность к холодным трещинам была определена, определим склонность к возникновению горячих трещин. Британский стандарт BS EN 1011-2 [19] утверждает, что с помощью параметра UCS можно оценить склонность углеродистых и низколегированных сталей к возникновению горячих трещин. Данный параметр разработан для сварки под слоем флюса, но подходит для оценки для других способов сварки, включая ручную дуговую, если химический состав исследуемой стали удовлетворяет химическому стандарта [19, p.50, Table E.1, Table E.2]:

. (10)

Если параметр UCS больше 30 [19], то сталь обладает малой склонностью к возникновению горячих трещин.

Определение типа электродов

В первую очередь требуется определить тип электродов, использование которых позволит обеспечить заданные механические свойства, минимально отличающиеся от свойств основного металла. Тип электродов выбирается в соответствии с ГОСТ 9467 [14, таблица 2] для теплоустойчивых сталей: заданная сталь имеем маркировку А - к ней предъявляются повышенные требования по ударной вязкости и пластичности; среднее временное сопротивление разрыву для стали 16ГНМА составляет 553 МПа.

Исходя из условий, выбирается тип электродов Э-09М. Причины выбора именно данного типа электродов:

1) Обеспечение допустимого показателя сопротивления разрыву,

2) Высокое значение относительного удлинения,

3) Высокие показатели ударной вязкости,

4) Допустимые содержания по C, Si, Mn, Mo,

Следует также отметить недостатки выбора именно этого типа:

1) Высокое содержание серы 0,030% по сравнению с основным металлом, существует опасность возникновения горячих трещин,

2) Высокое содержание фосфора 0,030% по сравнению с основным металлом, существует опасность возникновения холодных трещин (выбор типа Э-05Х2М с минимальным содержанием S и P из всех типов, ввел бы очень большое количество Cr в шов),

3) Отсутствие никеля отрицательно сказывается на пластичности сварного шва, но выбор типа Э-10Х1М1НФБ ввел бы слишком большое количество Cr, Mo и V, что ухудшило бы свариваемость, увеличило количество закалочных структур, уменьшилась пластичность и ударная вязкость,

4) Отсутствие хрома позволит увеличить пластичность, уменьшить вероятность образования карбидов, закалочных структур и повысит коррозионную стойкость металла шва

Выбор отечественных электродов

Если же нам требуется найти поставщика в России, то воспользуемся каталогом крупного производителя электродов «НПК СВАРЭЛЕКТРОД» г. Волгодонск, Ростовская область [12]. Данная компания может предложить 3 электрода типа Э-09М по ГОСТ 9467 [14], ГОСТ 9466 [13]:

· ,

· ,

· .

Цифровые и буквенные обозначения на рисунке 1 обозначают следующее:

Рисунок 1 Схема структуры обозначения покрытых электродов

1) Тип электрода в соответствии с ГОСТ 9467,

2) Марка электрода по стандартам или техническим условиям,

3) Диаметр электрода,

4) Назначение: для сварки углеродистых сталей (У), легированных сталей (Л), теплоустойчивых (Т), высоколегированных (В), наплавки (Н),

5) Толщина покрытия: тонкое (М), толстое (Д), среднее (С), особо толстое (Г),

6) Группа по качеству изготовления: 1 - 3, где с увеличением порядкового номера к качеству изготовления электродов предъявляются большие требования,

7) Группа индексов, характеризующих свойства наплавленного металла: 1-й индекс минимальной температуры, при которой ударная вязкость металла шва и наплавленного металла составляет не менее 3,5 (берутся из стандартов и технических условий на сварочные электроды, для теплоустойчивых сталей индексы обозначаются в соответствии с ГОСТ 9467 [14, таблица 4, таблица 5]; 2-й индекс указывает максимальную рабочую температуру, при которой регламентированы показатели длительной прочности наплавленного металла и металла шва,

8) Вид покрытия: рутиловое (Р), основное (Б), кислое (А), целлюлозное (Ц), железное (Ж), прочие (П),

9) Пространственное положение при сварке: все положения (1), кроме вертикального сверху вниз (2), кроме вертикального сверху вниз и потолочного (3), нижнее (4),

10) Вид и полярность тока: постоянный ток обратной полярности (0), переменный и постоянный ток обратной полярности (3,6,9), переменный и пстояннный ток любой полярности (1,4,7), переменный и постоянный ток прямой полярности (2,5,8),

11) , 12) ГОСТ, ОСТ, ТУ

Следует выбрать электроды, исходя из их показателей, сравнительная характеристика которых будет приведена в таблице 3:

Таблица 3

Сравнение электродов типов Э-09М «НПК СВАРЭЛЕКТРОД»

Выбор наиболее приоритетными электродами УОНИИ-13/15M объясняется следующими положениями:

1) Минимальное содержание S и P в шве, что в разы уменьшает вероятность образования холодных и горячих трещин,

2) Допустимые механические свойства металла шва.

Постановка на 2-е место электродов ЦЛ-6 объясняется следующими факторами:

1) Возможность использовать источники как постоянного, так и переменного тока,

2) Высокая производительность сварки,

3) Низкая температура прокалки кислых покрытий,

4) Очень хорошие механические свойства наплавленного металла.

Главный недостаток электродов ЦЛ-6 очень высокое содержание S и P.

Выбор импортных электродов (Швеция)