Сталь 30ХМА принадлежит к среднеуглеродистым низколегированным сталям. Для этой стали приблизительный химический состав и основные свойства указаны в нижеприведенных таблицах:

Таблица 1.Химический состав стали и основные показатели.

С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu
0,26-0,33	0,40-0,70	0,17-0,37	≤0,025	≤0,025	0,8-1,1	0,3	0,3

Таблица 1.2.Основные свойства стали.

Δωопт, град/с	АС1	АС3	Мн	Тнир
0,1-10	757	807	350	850

Таблица 1.3. Теплофизические коэффициенты:

λ – коэффициент теплопроводности	41,9 Вт/м·град
а – коэффициент температуропроводности
сρ – объёмная теплоёмкость	4,8 Дж/м3 ·град
α – коэффициент теплоотдачи	60 м2 /с

1.2 Структура и свойства свариваемого металла

Сталь 30ХМА характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3—0,4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Легирующие элементы, вводимые в сталь 30ХМА, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает, механические свойства стали и, вчастности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций. В промышленности при производстве сварных конструкций широко используют среднеуглеродистые, низколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях не превышает 4,0% (не считая углерода), а углерода 0,3%.

Таблица 1.2.1. - Механические свойства стали 30ХМА:

Механические свойства
σв , МПа	σт , МПа	δ, %	, %
800	600	12	50

1.3 Оценка свариваемости металла

Рассматриваемая сталь 30ХМА обладает ограниченной свариваемостью. Технология её сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являются равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно пpи сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные требования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пониженных температурах и т. д.). Однако во всех случаях технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработки. При сварке рассматриваемой стали, состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием.

Повышенные скорости охлаждения металла шва способствуют увеличению его прочности, однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия.

Рекомендуется подогрев и последующая термообработка.

Способы сварки: РД, РАД, АФ, КТ.

2. Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком

2.1 Характеристика защиты металла от взаимодействия с окружающей средой

Сварка плавлением - высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металла сварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а так как скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут, произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методы защиты зоны сварки от атмосферы.

Рассматривая различные виды сварки, можно выделить четыре способа защиты зоны сварки: 1) шлаковая защита, 2) газовая , 3) газошлаковая, 4) вакуумная.

Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.

Исторически этот метод появился раньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами, промышленное применение которых началось в середине 20-х годов.

Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.

Ионизирующие компоненты – соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na₂ CO₃ , K₂ CO₃ . пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.

Шлакообразующие – минералы: полевой шпат K₂ O₃ ^. Al₂ O₃ ^. 6SiO₂ ; мрамор, мел, CaCO₃ , магнезит MgCO₃ , глинозем Al₂ O₃ , флюорит CaF₂ , рутил TiO₂ , кварцевый песок SiO₂ и иногда гематит Fe₂ O₃ . При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава и различной основности.

Газообразующие – вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов – CO₂ ; CO; H₂ ; H₂ O/

Раскислители и легирующие компоненты – металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы – это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями, кроме ферромарганца и ферросилиция, могут быть ферротитан и алюминий.

Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов в замес, который и напрессовываетяс на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком.

Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.

В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):

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. В состав этой группы входят электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04, СМ-5 и др.

2. Основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создется диссоциацией мрамора (СаСОз). В качестве раскислителей используют ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. В состав этой группы входят электроды марок УОНИИ-13, CM-1I, ОЗС, МР и др. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало СаСО₃ и много CaF₂ (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей. Уменьшение доли мрамора в составе покрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода. К электродам с такими покрытиями относятся ИМЕТ-4; ИМЕТ-8.