Сварка при отрицательных температурах Часть 1

Во время выполнения работ на открытом воздухе, при строительстве, монтаже, изготовлении и ремонте металлоизделий и сварных конструкций, часть сварочных работ приходится на сезонный период отрицательных температур. При выполнении данных работ зачастую затруднительно, а иногда крайне сложно обеспечить специальные условия для стабильного протекания сварочных процессов при низких температурах.

Поэтому при анализе показателей сварочно-технологических свойств покрытых электродов для ручной дуговой сварки, помимо прочего стоит принимать во внимание и степень воздействия на них окружающей среды.

Выполнение сварочных работ в условиях отрицательных температур окружающего воздуха, а также работоспособность самих сварных соединений облад ает рядом особенностей, таких как:

- Ухудшение показателей стабильности горения дуги при температурах от -30°С и ниже;

- Увеличение теплоотдачи от свариваемого соединения в окружающий воздух;

- Уменьшение диффузии водорода, в 5 и более раз и т.д.

При изучении влияния отрицательных температур на сварочные процессы, основное внимание стоит уделить анализу протекающих во время них тепловых процессов. Так например, при сварке образцов, выполненных при положительных (+20°С) и отрицательных (-45°С) температурах выявлено, что показатель разности скоростей охлаждения участков перегрева в диапазоне температур 500-600°С доходит до 30%.

Рост скорости охлаждения сварного шва во время сварочных процессов, при воздействии на него температур окружающего воздуха ниже -40°С приводит к уменьшению температуры фазовых и структурных превращений на 25-40°С, что в итоге приводит к тому, что его критическая температура хрупкости перемещается в сторону положительных температур на 15–30°С.

Образованный во время протекающих сварочных процессов жидкий металл, при отрицательных температурах остывает и кристаллизуется с большей, чем при положительных температурах скоростью. В результате чего из сварочной ванны не успевают перейти в шлак растворенные в ней газы и неметаллические включения. В связи с чем возрастает риск образования трещин или пор в швах, и снижается до 40% сопротивляемость образованию холодных трещин.

Опытным путем установлено, что снижение температуры с +20°С до -50°С сокращает время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии на 10%, что в свою очередь, приводит к тому, что не менее 45% из всех выявляемых дефектов являются неметаллическими включениями.

Также при воздействии на сварное соединение отрицательных температур, во время процессов сварки, ухудшается проплавление кромок соединяемых элементов изделия или конструкции, из-за увеличения отвода тепла от зоны сварки, что увеличивает риск образования другого значимого дефекта – отсутствия сплавления между металлом шва и основным металлом или между слоями шва, возникающего в связи с неспособностью расплавленного металла проникнуть внутрь соединения, или другими словами непровара.

При расчете оценки работоспособности сварных соединений нужно учитывать их особенности, связанные с геометрической, структурной и механической неоднородностью, напряженное и дефектное состояние. При термических циклах сварочных процессов увеличение скорости охлаждения расплавленного металла приводит к снижению показателей пластичности, и одновременно к возрастанию характеристик прочности и твердости (из-за увеличения количественного содержания мартенсита и бейнита) таких сталей как 10ХСНД, 14Х2ГМР, 14Г2САФ, 20ХГ, 20НГМФ, St600 и т.д.

Еще одним негативным фактором, оказывающим влияние на сварочные процессы, протекающих при низких температурах является увеличенная, по сравнению с процессами при положительных температурах, конденсация влаги, содержащейся в обмазке и стержне электрода и в основном металле.

В связи с тем, что вода является одним из основных источников водорода, с понижением окружающей температуры увеличивается ее количество во время процессов плавления, в связи с чем, растворенный в ванне водород бурно выделяется из металла, вызывая его кипение и разбрызгивание. Кроме того, при отрицательных температурах (до -50°С) замедляется диффузия водорода в свариваемом соединении, в результате чего повышение содержания водорода в шве, увеличивает вероятность образования трещин (как холодных, так и горячих) и пор в швах.

Рис. 1. Сварка проб при отрицательных температурах окружающего воздуха, различие швов, сваренных при +20°С и -40°С