Рекомендации по подогреву при сварке толстостенных металлоконструкций карьерных экскаваторов

УДК 621. 172.18

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДОГРЕВУ ПРИ СВАРКЕ ТОЛСТОСТЕННЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

© А.П. Макаров1, А.Н. Шевченко2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Даны практические рекомендации при сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей деталей и металлоконструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Рекомендации касаются выбора присадочного материала, исходя из требований прочности и вязкости, предъявляемых к сварочному соединению. Установлены рациональные соотношения толщины свариваемого металла от температуры подогрева и числа сварочных швов. Исполнение приведенных рекомендаций технологии сварки низколегированных и низкоуглеродистых сталей позволяет обеспечить сопротивляемость сварных соединений и зоны термического влияния образованию холодных трещин, хрупкому разрушению и ударной вязкости до регламентируемого уровня. Ключевые слова: сварка; рукоять; экскаватор; сварные валики; электрод; трещиностойкость.

RECOMMENDATIONS ON HEATING UNDER MINE EXCAVATOR HEAVY-WEIGHT METAL

STRUCTURE WELDING

A.P. Makarov, A.N. Shevchenko

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Practical recommendations are given for welding of low alloy and low-carbon steel parts and metal structures of mine excavator working equipment. The recommendations deal with the choice of welding filler on the basis of strength and toughness requirements imposed on welded joints. Rational ratios of weld metal thickness to heating temperature and number of welds are determined. Implementation of given recommendations for the technology of welding low alloy and low-carbon steels ensures the resistance of weld joints and heat affected zone to cold cracking, brittle fracture and notch toughness to the regulated level.

Keywords: welding; bucket arm; mine excavator; weld beads; electrode; crack resistance.

Для обеспечения качественного сварного соединения необходимо исключить наличие водорода, вызывающего трещины в зоне сварки.

Кромки соединения до сварки должны быть чистыми и сухими. Допускается использовать только сухие присадочные материалы и электроды. При сварке деталей большой толщины сварку необходимо проводить при повышенной температуре. Предлагаемая зависимость сварки и толщины металла (рис. 1) предназначена для низколегированных и низкоуглеродистых сталей: 09Г2С; 30ХГС и т.п.

Контроль температуры осуществляется одним из самых удобных способов - с помощью термоиндикаторных мелов на поверхности, обратной нагреваемой (рис. 2).

При сложнонагруженных элементах в конструкции, какими являются узлы и детали рабочего оборудования экскаваторов, и при сварке в сырую погоду рекомендуется ближайший к представленному повышенный уровень температуры.

Определение числа сварных валиков при многопроходной сварке толстостенных конструкций производят, когда необходимо, чтобы ударная вязкость сварного соединения равнялась ударной вязкости основного металла. При этом рекомендуется соблюдение следующего практического правила:

Число сварных валиков =

_ толщина сварного металла х 2  = 5

1

Макаров Анатолий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405085, e-mail: mak@istu.edu

Makarov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405085, e-mail: mak@istu.edu

2Шевченко Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405069, 79646541034, e-mail: shan@istu.edu

Shevchenko Alexey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405069, 79646541034, e-mail: shan@istu.edu

Балку рукояти экскаватора ЭКГ-15 толщиной 51,5 мм рекомендуется сваривать не менее чем десятью валиками, поскольку сварка производится с У-образной разделкой кромок (рис. 3). Так, стыковой

шов двадцатимиллиметрового металла заваривают, по меньшей мере, восемью валиками (рис. 4). При снижении требований по ударной вязкости допускается уменьшение числа сварных валиков.

50 200

I Температура, С

10 20 I I 30 I W 50 60 I I I

Толщина сварныхкролюк, мм Рис. 1. Зависимость температуры подогрева от толщины металла

Рис. 2. Сварка соединения встык (натяжные окна ЭКГ-15): 1- места подогрева;

2 - места замера температуры

Рис. 3. Разрез свариваемой балки рукояти ЭКГ-15. Стыковка при У-образной разделке кромок под 45

1, 2 - места замера температур

Рис. 4. Расположение сварных валиков при сварке металла толщиной 20 мм

a

кЛж

+ 1

+ 1 1 1

+ / Л) ^ 1 1 120 LO 1 1 1 50] 1 .60

Толщина металла мм

Рис. 5. Зависимость подводимого к сварочному шву тепла от толщины металла

При сварке низкоуглеродистых сталей около сварочной ванны образуется мягкая зона, ширина которой меняется в зависимости от количества и продолжительности вводимого тепла. При умеренном вводе тепла мягкая зона достаточно узкая, никак не влияющая на твердость сварного соединения. График на рис. 5 показывает оптимальное количество тепла, вводимого в сварочный шов, в зависимости от толщины металла (зависимость получена эмпирически на основе опыта практического применения подогрева толстостенных низкоуглеродистых сталей).

При выборе присадочного металла (электрода) следует исходить из требований по прочности и вязкости, предъявляемых к сварному соединению, а также из существующих напряжений в свариваемой детали. В большинстве случаев рекомендуются «мягкие» присадочные металлы, и к этому следует стремиться, чтобы избежать повышенной твердости и хрупкости сварного шва. Применение электрода с показателями предела прочности оВ и предела текучести оТ ниже, чем основной металл, позволяет более пластично формировать сварочный шов при охлаждении, а также

уменьшить вероятность возникновения дополнительных напряжений в сварочном соединении и избежать как горячих, так и холодных трещин. Более мягкий присадочный металл должен всегда использоваться при наплавке валиков в корне многослойного сварного шва и в стыковых соединениях, поскольку от наплавленного металла не требуется одной и той же прочности с основным металлом, кроме случаев, когда присадочный металл в силу конструктивных особенностей нагрузки детали должен иметь одинаковую прочность с основным металлом при наплавке валиков в корне.

Всегда необходимо стремиться выбрать такие присадочные металлы и способы сварки, которые по возможности обеспечат более низкий уровень содержания водорода. Электроды с покрытием должны обязательно быть высушенными, суммарная влажность их покрытия не должна превышать 5-10 мл на каждые 100 гр. электродов.

Для снижения вероятности появления холодных трещин эффективно использовать предварительный и сопутствующий подогрев. В практике ремонта в полевых условиях при сварочных работах ответ-

ственных узлов и деталей горного оборудования применяются специальные брезентовые палатки, которые устанавливают непосредственно на свариваемый участок крупногабаритной детали, что позволяет укрыть сварщика и свариваемую деталь экскаватора от различных атмосферных осадков. К тому же это обеспечивает необходимую температуру воздуха вокруг как наплавляемого, так и остывающего сварного шва.

Для определения температуры подогрева стали с целью предотвращения образования холодных трещин в зависимости от содержания в ней химических элементов и толщины свариваемых кромок рекомендуется использовать график Эрен-берга. По графику установлено, что необходимая температура подогрева возрастает с увеличением степени легированности стали и толщины свариваемого металла.

При разработке технологии сварки низколегированных сталей типа 09Г2С, 08ГДНФЛ и других необходимо учитывать то обстоятельство, что при уменьшении погонной энергии и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и в зоне термического влияния (ЗТВ) возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. При этом установлено, что снижается сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин и хрупкому разрушению. При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется крупнозернистая ферритно-перлитная структура с пониженной ударной вязкостью.

Технология ручной дуговой сварки низкоуглеродистых сталей не отличается от соответствующей технологии сварки низколегированных сталей, из которой изготовлены почти все детали рабочего оборудования и базовые узлы карьерных экскаваторов.

Сварку низколегированных сталей осуществляют электродами типа Э46А и Э50А, что обеспечивает повышенную хла-достойкость металла шва, а порог хладноломкости составляет -50°С. Фтористо-

кальциевое покрытие электродов позволяет достигать более высокой стойкости против образования кристаллизационных трещин и повышенной пластичности по сравнению с электродами других типов.

Балку рукояти, двуногую стойку, нижнюю, верхнюю секции стрелы карьерных экскаваторов, изготовленных из стали 09Г2С, рекомендуют сваривать электродами УОНИ 13/55, К5А, АНО-11 (тип 50А). Все кольцевые швы указанных деталей, работающих при температуре до -70°С, выполняют электродами ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.

Электрошлаковая сварка сталей толщиной свыше 30 мм осуществляется, как правило, с последующей или сопутствующей нормализацией с условно повышенной ударной вязкости металла шва и ЗТВ до регламентируемого уровня. Сварку стали 09Г2С осуществляют с применением флюса АН-8 и сварочных проволок Св-08ГС или Св-10Г2. Режимы термообработки аналогичны низкоуглеродистым сталям.

Для кольцевых швов трубных конструкций с толщиной стенки до 100 мм при температуре эксплуатации ниже -40°С (сталь 09Г2С) в соответствии с ОСТ 291-81 допускается применять электрошлаковую сварку с регулированием термических циклов в сочетании с последующим отпуском. При этом удается не только обеспечить равнопрочность, но и достаточно высокий уровень сопротивления сварных соединений хрупкому разрушению без применения последующей высокотемпературной термообработки. Это особенно важно для сварки балок рукояти и двуногих стоек экскаваторов ЭКГ-10, ЭКГ-15, ремонт которых даже в условиях цеха сопряжен с большими трудностями, связанными с качественной термообработки.

В условиях ремонтных мастерских АК «АЛРОСА» (рис. 6, 7) по специально разработанной технологии сварки металлоконструкций удалось получить довольно высокие механические характеристики сварочных швов деталей рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Например, значения ударной вязкости КСи-60 метал-

ла шва и околошовного участка для сварных соединений стали 09Г2С (балка рукояти) толщиной 51,5 мм при температуре испытаний -60°С равны 650 и 750 КДж/м соответственно, в то время как у основного металла - 580 КДж/м2

По уровню параметров трещино-стойкости металл шва и зоны термического влияния не уступает основному металлу -нормализованной стали 09Г2С, имеющей следующие показатели: стг=370 МПа; ^=67,5 МПа-м1/2; 0=6,32-10-14; п=3,82; 11 / 1Ы при АК1С = К1С/1,5 составляет

о

0,68-10-3 мм/цикл (таблица).

Увеличение интенсивности охла-

ждения при электрошлаковой сварке с регулированием термических циклов предотвращает образование структурно-свободного феррита при у-^а-превращении. Отмеченное препятствует протеканию коррозионных процессов, а уменьшение размеров карбидных частиц, играющих роль коллекторов водорода, тормозит катодную реакцию при эксплуатации соединений в коррозионно-активных средах.

Особенностью термоупрочненных сталей является их склонность к разупрочнению при сварке.

Рис. 7. Балка рукояти ЭКГ-10 после сварки

Примечание. Кй - максимальный КИН цикла, при котором трещина не развивается на протяжении заданного числа циклов, (Н/м3)/2; Кс - наибольший КИН цикла, при котором наступает излом образца, (циклическая вязкость разрушения), (Н/м3)/2; ОМ - основной металл; МШ - металл шва; ЗС - зона сплавления; ЗТВ - зона термического влияния; КДЦТ - кинетическая диаграмма циклической трещиностойкости.

Характеристики циклической трещиностойкости сталей и сварных соединений _металлоконструкций карьерных экскаваторов_

Марка стали Зона сварки Асимметрия цикла нагрузки, R Температура испытаний, °С Kth, Mna-M1/2 Kfc, Mna-M1/2

09Г2С ОМ 0,7 20 -70 3,8 6,4 20,3 -19,6

0,1 20 -70 5,8 12,1 20,6 27,6

МШ 0,7 20 -70 4,9 6,4 17,8 10,4

ЗС 0,7 20 -70 4,9 5,9 20,7 17,4

ЗТВ 0,7 20 -70 4,9 5,9 19,2 11,7

КДЦТ - - 3,8 10,4

10ХСНД ОМ 0,7 20 -70 3,5 5,9 20 22,4

МШ 0,7 20 -70 5,5 6,4 20,0 15,8

ЗС 0,7 20 -70 3,7 6,4 20,3 20,7

ЗТВ 0,7 20 -70 4,3 5,6 19,6 11,2

КДЦТ - - 3,5 11,2

Применение сопутствующего охлаждения позволяет обеспечить равнопроч-ность сварных соединений с основным термоупрочненным металлом и повысить их сопротивление хрупкому разрушению. Значения критических температур Ткр перехода в хрупкое состояние металла околошовного участка сварных соединений при переходе от общепринятой технологии к технологии сварки с сопутствующим охлаждением снизились на 20-30°С и достигли уровня критической температуры основного

термоупрочненного металла.

При переходе от общепринятой технологии электрошлаковой сварки к технологии с регулированием термических циклов термоупрочненной стали 09Г2С (сварочная проволока СБ-10НМ, флюс АН-8, последующий отпуск при 640°С) коэффициент прочности сварных соединений повышается с 0,89 до 0,99, значения КС^40 металла шва - с 120 до 720, а металла околошовного участка - с 80 до 420 КДж/м2.

Статья поступила 16.04.2015 г.

Библиографический список

1. Макаров А.П. Развитие усталостных трещин в металлоконструкциях экскаваторов // Вестник ИрГТУ. 2011. № 11 (58). С. 105-109.