Особенности сварки высоколегированных сталей

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

К высоколегированным относят стали, суммарный состав легирующих элементов в которых составляет не менее 10%, при содержании одного из них не менее 8%. При этом содержание железа должно составлять не менее 45%. В основном это стали, обладающие повышенной кор­розионной стойкостью или жаростойкостью. Легирование сталей выполняют углеродом, марганцем, кремнием, молибденом, алюминием, ванадием, вольфрамом, тита­ном и ниобием, бором, медью, серой и фосфором. Вве­дение легирующих элементов меняет физические и хи­мические особенности стали.

Так, углерод способствует повышению прочности ста­ли и снижению ее пластичности. Окисление углерода в процессе сварки способствует появлению пор. Кремний является раскислителем и содержание его в стали более 1 % приводит к снижению свариваемости. Хром также сни­жает свариваемость, помогая созданию тугоплавких окис­лов. Никель повышает прочность и пластичность свароч­ного шва, не снижая свариваемость стали. Молибден уве­личивает прочность и ударную вязкость стали, ухудшая свариваемость. Ванадий в процессе сварочных работ силь­но окисляется, поэтому его содержание в стали предус­матривает введение раскислитеЛей. Вольфрам тоже сильно окисляется при повышенных температурах, ухудшает сва­риваемость стали.

Титан и ниобий предотвращают межкристаллитную коррозию. Вор повышает прочность, но затрудняет свари­ваемость. Медь повышает прочность, ударную вязкость и коррозийную стойкость стали, но снижает ее сваривае­мость. Повышенное содержание в стали серы приводит к образованию горячих трещин, а фосфор способствует об­разованию холодных трещин.

Содержание тех или иных легирующих элементов оп­ределяют по маркировке стали. Первые две цифры в мар­кировке означают содержание углерода в сотых долях про­цента; легирующие элементы обозначают буквенными символами, а стоящие за ними цифры указывают на при­мерное содержание этих элементов, при этом единицу и меньше не ставят. Символ «А», установленный в конце маркировки, указывает, что сталь высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора. Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромоникелевые стали (12X18Н1 ОТ, 10Х23Н18 и некото­рые другие).

Из вышесказанного видно, что, как правило, легиро­вание стали приводит к снижению ее свариваемости, а первостепенную роль при этом играет углерод. Поэтому доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. Повышенное содержа­ние углерода и легирующих элементов способствует уве­личению склонности стали к резкой закалке в пределах термического цикла, происходящего, во время сварки. В результате этого околошовная зона оказывается резко закаленной и теряет свою пластичность.

Поэтому при сварочных процессах высоколегирован­ных сталей, происходящих в зоне плавления металла и околошовной области, возникают горячие трещины и межкристаллитная коррозия, проявляющаяся в процес­се эксплуатации. Основной причиной появления тре­щин является образование крупнозернистой структуры в процессе кристаллизации и значительные остаточные на­пряжения, полученные при затвердевании металла. Леги­рование влияет на вязкость металла и коэффициент по­верхностного натяжения, поэтому у большинства высо­колегированных сталей сварочный шов формируется хуже, чем у низколегированных и даже углеродистых ста­лей.

Межкристаллитная коррозия характерна для всех ви­дов высоколегированных сталей, имеющих высокое со­держание хрома. Под действием нагрева образовавшиеся карбиды хрома выпадают по границам зерен, снижая их антикоррозийные свойства.

Препятствует образованию карбидов хрома легирова­ние стали титаном, ниобием, танталом, цирконием и ванадием. Положительное влияние на качество сварочно­го шва оказывает дополнительное легирование свароч­ной проволоки хромом, кремнием, алюминием, ванади­ем, молибденом и бором.

Для сварки высоколегированных сталей используют как ручную дуговую, так и механизированную сварку под флюсом и в среде защитных газов. Сварка выполняется при минимальном тепловложении с использованием тер­мообработки и применением дополнительного охлажде­ния.

Введение легирующих элементов меняет и технологи­ческие особенности стали. Так, система легирования сни­жает теплопроводность стали и повышает ее электричес­кое сопротивление. Это оказывает влияние на скорость и глубину плавления металла, что требует меньшего вло­жения энергии и увеличения скорости подачи сварочной проволоки.

Ручную дуговую сварку высоколегированных сталей выполняют при пониженных токах обратной полярности.

Сварку ведут короткой дугой ниточными валиками без поперечных колебаний.

Проволока, применяемая для изготовления электро­дов, должна соответствовать марке стали с учетом ее сва­риваемости. Защитное покрытие электродов должно иметь состав, снижающий отрицательное действие повышен­ной температуры. К примеру, для сварки кислотостойкой стали 12Х18Н10Т электроды типа Э-Ф4Х20Н9 (марки ЦЛ-1І) препятствуют образования горячих трещин и межкристаллитной коррозии. Предварительный и сопут­ствующий подогрев снижает опасность возникновения трещин.

Для защиты сварочной ваНны используют инертный газ аргон или его смеси с гелием, кислородом и углекис­лым газом.

Сварку в среде углекислого газа можно выполнять только в случаях, когда отсутствует опасность возникно­вения межкристаллитной коррозии. Сварка плавящимся электродом выполняется при значениях тока, обеспечи­вающих струйный перекос электродного металла.

При сварке возникает опасность коробления и оста­точных сварочных напряжений. Поэтому после сварки часто требуется термообработка.

5. Особенности сварки специальных высоколегированных сталей.

5.1. Сварка закаливающихся высоколегированных сталей.

5.1.1. Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства закаливающихся сталей

1. Стали мартенситного класса 20X13 и 14X17Н2,мартенситно-ферритного — 12X13, 15X11МФБ, 15Х12ВНМФ, 14Х12В2МФ, 18Х12ВМБФР и сталь 08X13, относящаяся к ферритному классу, при воздействии сварочного термиче­ского цикла претерпевают закалку, в результате чего металл в околошовной зоне сварного соединения становится более твердым, прочным и хрупким.

2. Степень изменения этих свойств зависит прежде всегоот содержания в стали уг­лерода и других легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор и снижающих температуру превращения аустенита в мартенсит, а также от способа и режима (погонной энергии) сварки. Например, при дуговой сварке с минимальной погонной энергией (минимальный варочный ток, максимально возможная скорость сварки), при которой металл околошовной зоны нагревает­ся и охлаждается весьма быстро, степень подкалки этого металла значительно большая, чем при электрошлаковой сварке.

3. Существует оптимальная температура отпуска сварных соединений этих сталей:

а) после 3—5-часового отпуска при температуре 680—720° С (с охлаждением на воз­духе) металл в околошовной зоне сварных соединений этих сталей приобретает наиболее оптималь­ные механические свойства;

б) температура отпуска сварных соединений высокохромистых жаропрочных сталей не­сколько выше (730—750° С), а скорость нагрева для отпуска и скорость охлаждения после отпуска меньше, чем обычных хромистых;

в) после отпуска сварных соединений ударная вязкость металла у линии сплавления не­сколько ниже, чем той же стали, не подвергавшейся воздействию сварочного термического цик­ла. Это особенно заметно у стали 08X13. Снижение ударной вязкости металла в околошовной зоне этих сталей при воздействии сварочного нагрева обусловлено ростом ферритных зерен. Металл в околошовной зоне этих сталей состоит из крупных зерен низкоуглеродистого феррита (светлые зер­на) и мелкоигольчатого мартенсита;

г) с повышением погонной энергии сварки размер зерна и увеличение количества низко­углеродистого (структурн-свободного) феррита в околошовной зоне этих сталей возрастает, а ударная вязкость еще больше снижается;

д) при высоком отпуске после сварки карбиды выделяются исключительно из мартенсит­ной фазы, а строение и микротвердость низкоуглеродистого феррита сохраняются неизменными Металл при этом разупрочняется. При температуре отпуска 680— 720° С твердость стали становится минимальной, а значения ударной вязкости — максимальные, несколько не достигающие, однако, исходных.

5.1.2. Сварка высоколегированных сталей с 13 % хрома

1. Стали 08X13 толщиной до 16—20 мм, 12X13 толщиной до 10— 12мм и 20X13 — до8—10мм при отсутствии жестких закреплений соединений можно сваривать без предварительного и сопутствующего подогрева. При большей толщине незакрепленных соединений или при указанных толщинах сталей, но жестко закрепленных,необходим общий или местный предварительный и сопутствующий подогрев изделий до температур 250-300° С

2. Стали 08X13, 12X13 и 20X13 в виде монометалла (сталь 08X13 преимущественно в ви­де биметалла) часто применяют для сварных изделий, эксплуатирующихся без динамических на­грузок.

В этом случае изделия после сварки не подвергаются термической обработке. Особенно это относится к стали 08X13. Максимальная пластичность таких соединений получается при использовании для дуговой сварки аустенитной проволоки и электродов с повышенным содержанием никеля и хрома — проволоки Св-07Х25Н13 и Св-13Х25Н18, электроды из этих проволок. Может также применяться проволока Св-08Х20Н9Г7Т. При однопроходной автоматической сварке лучше использовать проволоку Св-13Х25Н18.

3. К недостаткам соединений высокохромистых мартенситных сталей, сваренных аустенитными проволоками и электродами, относятся пониженные характеристики прочности металла шва, особенно по сравнению со сталями с повышенным содержанием углерода, а также повышенная концентрация углерода по линии сплавления и связаннаяс этим несколько более высокая твердость и хрупкость этого металла после отпуска.

4. Учитывая отмеченные недостатки сварных соединений мартенситных сталей с аусте­нитно-ферритным швом, применять аустенитные проволоки целесообразно лишь для сварки изделий из стали 08X13 без последующей термической обработки. Для сварки сталей 12X13 и20X13 аустенитный присадочный металл может быть рекомендован только в случае эксплуата­ции изделий при статических нагрузках без значительных давлений.

5. Для обеспечения равнопрочности шва с основным металлом и высокой пластичности и вязкости сварных соединений сталей 12X13 и, тем более, 20X13 механизированную дуговую одно- или двухпроходную сварку их под флюсом и газоэлектрическую сварку (аргонодуговую, в углекислом газе) следует выполнять проволоками Св-10Х13 и Св-06Х14 и ручную дуговую сварку—электродами типа ЭФ-Х13 из этих проволок. Отпуск сварных соединений или изделий в этом случае является обязательным. Сварные швы, выполненные по такой технологии, по механическим свойствам практически не отличаются от основного металла. Причем в состоянии после сварки эти швы отличаются высокими характеристиками прочности и низкими пластичностью и вязкостью.

6. При многослойной сварке в углекислом газе толстого металла проволоки Св-10Х13и Св-06Х14 могут оказаться непригодными из-за недостаточного содержания в них кремния и марганца, которые интенсивно выгорают при данном методе сварки. В этом случае швы могут быть поражены порами

7. Влияние химического состава и структуры на физико-механические свойства шва:

– заметное увеличение количества низкоуглеродистого феррита и связанное с этим сни­жение вязкости и стойкости против образования трещин шва наблюдается при увеличении в нем содержания хрома более 13% и кремния более 0,35%.

– трещины не образуются при легировании наплавленного металла титаном в количестве 0,10—0,40%. Шов при этом приобретает мелкозернистую дезориентированную структуру, что повышает стойкость его против образования трещин;

– сварные швы, содержащие 12—13% хрома и 0,10—0,25% титана и не более 0,30%кремния, обладают оптимальными механическими свойствами. При увеличении в таких швах содержания титана выше 0,3% количество низкоуглеродистого (структурно-свободного) феррита в них резко возрастает, а ударная вязкость при этом, несмотря на измельченную, дезориентированную структуру, снижается;

– повышением содержания марганца от 0,35 до 0,8% в шве с 12—13% хрома ударная вяз­кость его возрастает;

– аналогично марганцу влияет никель. Влияние увеличения содержания марганца и никеля на ударную вязкость шва в данном случае связано с уменьшением количества низкоугле­родистого (структурно-свободного) феррита в нем;

– аналогично марганцу и никелю действует азот, содержание которого в швах с таким количеством хрома из условий предотвращения пористости не должно превышать 0,08%.

8. Чтобы обеспечить достаточнуюстойкость против образования холодных трещин при сварке стали 20X13 толщиной до 10мм без предварительного подогрева и получить удовлетворительные механические свойства сварных соединений после высокого отпуска, необходимо иметь следующий химический состав металла швов: до 0,12% С; 0,5—0,8%Мо; 0,20—0,35%Si; 12—13%Cr; 0,4—0,8%Ni; 0,15—0,25%Ti. Сталь 20X13 не проявляет склонности к 475-градусной хрупкости и поэтому может применяться в качестве жаропрочного материала для сварных изделий, работающих при температуре до 500 °С.

Сварка высоколегированных сталей и сплавов

На процесс сварки высоколегированных сталей большое влияние оказывает высокое содержание в их составе легирующих элементов. Высоколегированные стали содержат в своём составе 10-55% легирующих элементов. Высоколегированные сплавы содержат более 66% железа с никелем, либо боле 55% никеля, остальное приходится на долю других элементов и примесей.

Классификация высоколегированных сталей

ГОСТ5632 определяет около сотни марок высоколегированных сталей и более 20 марок высоколегированных сплавов. Некоторые марки высоколегированных сталей выпускаются по другим техническим условиям.

Классификация таких сталей происходит по структуре, системе легирования, свойствам и другим показателям.

По системе легирования высоколегированные стали разделяются на хромсодержащие, хром и никельсодержащие, хром и марганецсодержащие, хром, никель и марганецсодержащие, хром, марганец и азотсодержащие.

По своей структуре высоколегированные стали бывают мартенситные (1Х17Н2, 1Х12Н2ВМФ и др. марки), ферритные (12Х13, 08Х18Т1, 10Х13Н3 и др. марки), аустенитные (03Х17Н14М2, 12Х18Н9, 09Х14Н16Б и др. марки). О свариваемости этих сталей рассказано на страницах: сварка аустенитных сталей, сварка мартенситных сталей и сварка ферритных сталей.

Высоколегированные стали также подразделяются в зависимости от своих свойств на коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные.

Особенности и технология сварки высоколегированных сталей и сплавов

Дефекты, возникающие при сварке высоколегированных сталей и их предотвращение

По сравнению со сваркой низкоуглеродистых конструкционных сталей, у сварки сталей, содержащих большое количество легирующих компонентов, есть свои особенности. Обусловлены они тем, что у высоколегированных сталей коэффициент теплопроводности в 1,5-2 раза ниже, а коэффициент линейного расширения в 1,5 раза выше, чем у низкоуглеродистых.

При низком коэффициенте теплопроводности концентрация теплоты при сварке увеличивается, т.к. отвод теплоты замедлен. Из-за этого глубина проплавления свариваемого металла увеличивается. Высокий коэффициент линейного расширения становится причиной деформаций и напряжений при сварке.

Высокое содержание легирующих элементов влияет на свариваемость сталей, являясь причиной образования холодных трещин при сварке. К трещинам они более склонны, чем стали низкоуглеродистые.

Для предотвращения появления трещин и других дефектов в сварных швах, при сварке высоколегированных сталей применяют следующие технологические приёмы:

1. Формирование сварного шва с двойственной структурой: аустенит и феррит.

2. Уменьшение содержания в металле вредных примесей, таких как сера, фосфор, свинец, сурьма, висмут, которые снижают свариваемость металла.

3. При ручной дуговой сварке электроды выбираются с основным или смешанным типом защитного покрытия.

4. Уменьшение жёсткости свариваемой металлоконструкции также положительно влияет на её свариваемость и эксплуатацию.

Ручная дуговая сварка высоколегированных сталей

Для снижения риска развития трещин в сварных швах, свариваемые детали рекомендуется сваривать с зазором. При этом швы рекомендуется наплавлять тонкими электродами (диаметром не более 2мм), при наименьшей погонной энергии.

Предварительный местный или общий подогрев свариваемого изделий выполняют, в зависимости от структуры высоколегированной стали, от содержания углерода в ней, от толщины свариваемого металла и от жёсткости конструкции. К примеру, при сварке аустенитных сталей подогрев выполняют не во всех случаях, а при сварке мартенситных сталей подогрев необходим. Рекомендуемая температура подогрева 100-300°C.

Согласно ГОСТ10051, существует 49 типов покрытых электродов, используемых при ручной дуговой сварке высоколегированных сталей и сплавов. Каждый тип электродов может включать в себя несколько марок электродов. Режимы сварки для наиболее распространённых типов электродов даны в таблице на странице: “Сварка среднелегированных сталей Ч.1. Сварка теплоустойчивых сталей”.

Сварка двухслойной (высоколегированной коррозионно-стойкой и низкоуглеродистой) сталей

Схема сварки двухслойной листовой стали показана на рисунке. Чаще всего, двухслойные листы состоят из низкоуглеродистой стали и слоя из коррозионно-стойкой высоколегированной стали, например, 08Х18Н10Т или другой.

Процесс сварки двухслойных листовых сталей происходит так же, как и процесс сварки обычной однослойной листовой стали. В большинстве случаев, выполнение сварного шва начинается со стороны низкоуглеродистого листа. После этого, наплавленный металл зачищается и происходит сварка верхнего, покрывающего листа.

Электроды, при сварке двухслойного металла, по химическому составу должны быть аналогичны свариваемому металлу. При использовании электродов аустенитных марок, рекомендуется выбирать постоянный сварочный ток обратной полярности.

Сварка низколегированных сталей

Сварка низколегированных сталей

Низколегированные стали содержат углерода до 0,25 % и легирующих примесей до 3 %. Они относятся к категории удовлетворительно свариваемых сталей. Стали этих групп относятся к хорошо сваривающимся практически всеми видами сварки сталям.

Основные требования при их сварке – обеспечение равнопрочности сварного соединения основному металлу, отсутствие дефектов, требуемая форма сварного шва, производительность и экономичность. Следует учитывать, что при содержании в стали углерода более 0,25 % возможно образование закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва. Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва.

Сталь марки 15ХСНД сваривают вручную электродами типа Э50А или Э55А. Наилучшие результаты дают электрод типа УОНИИ–13/55 и электрод ДСК–50.

Сварку электродами типа ДСК–50 можно выполнять переменным током, но лучшие результаты дает сварка постоянным током обратной полярности. Многослойную сварку следует производить каскадным методом.

Чтобы предупредить перегрев стали, следует выполнять сварку при токах 40–50 А на 1 мм диаметра электрода. Рекомендуется применять электроды диаметром 4–5 мм. Автоматическую сварку сталей 15ХСНД, 15ГС и 14Г2 производят проволокой типа Св–08ГА или Св–08ГА под флюсом АН–348–А или ОСЦ–45 при высоких скоростях, но при малой погонной энергии. В зимних условиях сварку конструкций из стали марки 15ХСНД можно производить при температурах не ниже –10 °C. При более низких температурах применяют предварительный подогрев зоны сварки на ширине до 120 мм по обе стороны шва до температуры 100–150 °C. При температуре –25 °C сварка не допускается.

Стали марок 09Г2С и 10Г2С1 относятся к группе незакаливающихся, не склонных к перегреву и стойких против образования трещин. Ручная сварка электродами типов Э50А и Э55А выполняется на режимах, предусмотренных для сварки низкоуглеродистой стали. Механические свойства сварного шва не уступают показателям основного металла.

Автоматическая и полуавтоматическая сварки выполняются электродной проволокой типа Св–08ГА, Св–10ГА или Св–10Г2 под флюсом АН–348–А или ОСЦ–45. Сварку листов толщиной до 40 мм производят без разделки кромок. При этом равнопрочность сваренного шва обеспечивается за счет перехода легирующих элементов из электродной проволоки в металл шва.

Стали хромокремниемарганцовистые типа «хромансиль» относятся к низколегированным (марки 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА и 35ХГСА). Они дают закалочные структуры и склонны к образованию трещин. При этом чем меньше толщина кромок, тем больше опасность закалки металла и образования трещин, особенно в околошовной зоне. Для сварки могут применяться электроды НИАТ—ЗМ типов Э70, Э85. Для ответственных сварных швов рекомендуются электроды со стальными стержнями из проволоки типа Св–18ХГС или Св–18ХМА с покрытием следующих типов: ЦЛ–18–63, ЦК–18Мо, УОНИИ–13/65, УОНИИ–13/85, УОНИИ–13/НЖ.

При сварке рекомендуется следующие режимы:

При сварке более толстых металлов применяется многослойная сварка с малыми интервалами времени между наложением последующих слоев. При сварке кромок разной толщины сварочный ток выбирается по кромке большей толщины и на нее направляется большая часть зоны дуги. Для устранения закалки и повышенной твердости металла шва и околошовной зоны рекомендуется после сварки нагреть изделие до температуры 650–680 °C, выдержать при этой температуре определенное время в зависимости от толщины металла (1 ч на каждые 25 мм) и охладить на воздухе или в горячей воде. Сварку низколегированных сталей в защитном газе производят при плотностях тока более 80 А/мм 2 .

Сварка в углекислом газе выполняется при постоянном токе обратной полярности. Рекомендуется электродная проволока диаметром 1,2–2,0 мм марки Св–08Г2С или Св–10Г2, а для сталей, содержащих хром и никель, Св–08ХГ2С, Св–08ГСМТ.

Эффективной является сварка в углекислом газе с применением порошковой проволоки.

Электрошлаковая сварка сталей любой толщины успешно производится электродной проволокой марки Св–10Г2 или Св–18ХМА под флюсом АН–8 при любой температуре окружающего воздуха.

Газовая сварка отличается значительным разогревом свариваемых кромок, снижением коррозионной стойкости и более интенсивным выгоранием легирующих примесей. Поэтому качество полученных сварных соединений ниже, чем при других способах сварки.

При газовой сварке пользуются только нормальным пламенем при удельной мощности 75–100 л/(ч?мм) при левом способе, а при правом – 100–130 л/(ч?мм). Присадочным материалом служит проволока марок Св–08, Св–08А, Св–10Г2, а для ответственных швов – Св–18ХГС и Св–18ХМА. Проковка шва при температуре 800–850 °C с последующей нормализацией повышает механические качества шва.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.