Книги по строительству и ремонту

Ручная дуговая сварка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

22.1. Влияние низких температур на качество сварных соединений

При низких температурах работоспособность стали и ее сварных соединений ухудшается: повышается твердость, временное сопротивление, предел текучести и усталости, снижаются пластичность и ударная вязкость.

Показателем работоспособности стали при низкой температуре является критическая температура хрупкости— такая температура, при которой наблюдается резкое снижение ударной вязкости. Чем ниже эта температура, тем надежнее работает сталь при низкой температуре. У строителей сталей, применяемых для изготовления несущих конструкций, нормируется величина ударной вязкости при низких температурах. У сталей марок ВСтЗпс и ВСтЗсп ударная вязкость при температуре минус 20°С должна быть не ниже 29Дж/см2, у низколегированной стали 16ГС такая же величина ударной вязкости 29 Дж/см2 должна быть при температуре минус 40 °С, а у стали 09Г2С, 15ХСНД и др. — при температуре минус 70 °С. У некоторых сталей, например ВСтЗкп, плохо раскисленной, критическая температура хрупкости не нормируется, так как она наступает от 0 до —20 °С. Поэтому такую сталь применяют ограниченно для вспомогательных конструкций, работающих на спокойную статическую нагрузку в климатических районах с температурой не ниже минус 30 °С.

Низкие температуры оказывают существенное влияние на процесс сварки. Скорость охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны с понижением температуры сварки повышается, в результате чего увеличивается насыщение металла газовыми и шлаковыми включениями, неуспевшими всплыть на поверхность и перейти в шлак.

Повышенный отвод тепла от сварочной ванны и увеличение содержания в ней газов (водорода, кислорода и др.) могут привести к образованию горячих и холодных трещин в сварном соединении. Кроме того, ухудшается проплавление охлажденного металла и увеличивается   возможность образования  непроваров. На кромках свариваемого металла и на электродах возможна конденсация малозаметной влаги, что также приведет к увеличению содержания водорода в наплавленном металле.

С понижением температуры сталь становится все более чувствительной к концентраторам напряжений; ими могут быть мельчайшие внутренние и внешние дефекты наплавленного металла, которые в условиях отрицательных температур могут привести к образованию трещин. Еще большее влияние на образование трещин могут оказать более значительные концентраторы напряжений, такие, как резкие изменения сечений элементов сварного соединения, сосредоточение сварных швов, резкие переходы от наплавленного к основному металлу, незаварениые кратеры, прерывистые швы, замкнутые контуры сварных швов и др. В условиях низких температур сварщик должен уделять повышенное внимание правильному ведению процесса сварки.

Для обеспечения работоспособности сварных соединений при низких температурах должна быть выбрана при проектировании и изготовлении сварных строительных конструкций сталь, имеющая достаточно низкий температурный интервал хрупкости. Это правило подбора стали для изготовления конструкций, работающих в различных климатических районах нашей страны, предусмотрено в СНиП П-23-81* «Стальные конструкции». Нормами установлено, что конструкции, предназначенные для районов с низкой температурой, должны свариваться электродами Э42А, Э46А (низкоуглеродистые стали) и Э46А, Э50А, Э60 и Э70 (низколегированные стали), электродами с покрытием основного типа, обеспечивающими высокую ударную вязкость наплавленного металла при низкой температуре. Большое значение для повышения качества сварных соединений имеет их рациональное конструирование, исключающее замкнутые контуры, близкое расположение швов, резкое изменение сечений (22.1), применение прерывистых швов, скопление швов и других конструктивных форм, вызывающих концентрацию напряжений.

Сборка конструкций и их элементов под сварку в условиях отрицательных температур должна выполняться без применения ударов и холодной правки металла. В случае необходимости металл правят с применением подогрева. Кантовать собранные под сварку конструкции следует с большой осторожностью, не допуская ударов при поворачивании.

Особое внимание должно быть уделено очистке кромок, подлежащих сварке, от снега, инея, льда и использованию качественных, хорошо прокаленных электродов. Электроды и сварочную проволоку для аргонодуговой сварки следует хранить в отапливаемом складе при температуре не менее 15 °С.

Для сварки следует применять постоянный ток обратной полярности. Особенно необходимо обеспечить хороший провар кромок, не допускать дефекты шва в виде непроваров, пористости, шлаковых включений, резких переходов от основного к наплавленному металлу, поверхностных дефектов — наплывов и вмятин. Зачищать корень шва перед подваркой и удалять дефектные места следует вышлифовкой или воздушно-дуговой и кислородной выплавкой, не допуская применения вырубки зубилом во избежание образования трещин. Наиболее действенной мерой, предупреждающей образование дефектов при сварке на морозе, является предварительный подогрев. СНиП 3.03.01—87 «Несущие и ограждающие конструкции» установил порядок его применения. В конструкциях, возводимых или эксплуатируемых при температуре ниже минус 40 °С, удаление дефектных мест и расчистка корня шва вышлифовкой или выплавкой разрешаются только после подогрева сварного соединения до температуры 120—1бО°С. В табл. 22.1 указаны температуры, при которых сварка возможна для различного вида конструкций, сталей и толщины элементов. При более низких температурах (для ручной и механизированной сварки) необходим предварительный подогрев стали до 120—160 °С в зоне шириной 100 мм с каждой стороны соединения.

Электрошлаковая сварка из-за большого тепловложения выполняется без подогрева при температуре до —65 °С. Автоматизированную дуговую сварку под флюсом при толщине металла до 30 мм из углеродистой стали и 20 мм из низколегированной разрешается выполнять без подогрева при температуре соответственно —30 и —20 °С, а при большей толщине — при температуре соответственно —20 и —10 °С. При более низких температурах назначается подогрев перед сваркой до 120—160 °С. СНиП устанавливает ограничения при сварке рабочей арматуры железобетонных конструкций: при отрицательной температуре требуется предварительный подогрев стержней до 200—250 °С на длину 90—150 мм от стыка. Подогрев осуществляют газовым пламенем после закрепления на стыках инвентарных форм, стальных изогнутых или круглых накладок. Сварочный ток увеличивают по сравнению с расчетным на 1 % при понижении температуры на каждые 3°С от 0°С. Сварка допускается до температуры не ниже—30 °С, а при более низкой температуре (до —50 °С) нужна специальная технология (сварка в тепляке и др.). При ванной сварке скорость охлаждения выполненных стыков необходимо снижать путем обмотки их асбестом. Асбест и инвентарные формы можно снимать только после остывания шва до 100 °С и ниже.

Стыки технологических трубопроводов, работающих под высоким давлением (до 9,81 МПа), также требуется подогревать при сварке покрытыми электродами и даже прихватке их в условиях отрицательных температур окружающего воздуха (<0°С). Отраслевым стандартом ММСС установлены отрицательные температуры, при которых требуется подогрез для трубопроводов из стали различных марок и толщин. Трубопроводы из низкоуглеродистой, марганцовистой и кермнемарганцовистых сталей при толщине стенки до 16 мм можно сваривать без подогрева при температуре от 0 до —35 °С, а при толщине стенки более 16 мм и той же низкой температуре требуется предварительный подогрев до 100—150 °С. Установлены температуры подогрева при сварке в условиях низких температур стыков из низколегированных, легированных и высоколегированных сталей.

При ручной аргонодуговой сварке трубопроводов в условиях низких температур должны выполняться такие же требования предварительного подогрева, как при сварке покрытыми электродами.

Некоторые металлы, например алюминий, медь и др., а также хромоникелевые аустенитные стали типа 08Х18Н10Т хорошо работают при самых низких отрицательных температурах, так как критический температурный интервал хрупкости у них практически отсутствует или чрезвычайно низок. Эти металлы могут свариваться при низких температурах без подогрева.