Сварка разнородных сталей нержавеющей и обычной

Как сварить нержавейку с черным металлом: особенности технологии

Сложности, с которыми связана сварка изделий, изготовленных из нержавейки, с черным металлом, объясняются преимущественно тем, что эти материалы, хотя и относятся к сталям, являются, по сути, разнородными. Для того чтобы качественно сварить такие металлы, то есть получить сварной шов, который по своим механическим характеристикам будет близок к основному металлу соединяемых изделий, следует в первую очередь правильно подобрать электроды. Кроме того, надо учитывать такой параметр соединяемых металлов, как их свариваемость, то есть способность образовывать качественные и надежные неразъемные соединения, полученные методом сварки.

Сварка нержавеющего фланца с отводом из углеродистой стали

Принципы сварки нержавеющих сталей

На свариваемость нержавеющих сталей – способность образовывать качественные сварные соединения (в том числе и с черными металлами) – оказывают влияние определенные характеристики таких сплавов.

• Теплопроводность нержавеющих сталей, если сравнивать ее с аналогичным параметром сплавов с низким содержанием углерода, невысокая. Из-за того, что нержавейка не способна быстро отводить тепло, при сварке она сильно нагревается, а это отрицательно сказывается на характеристиках создаваемого соединения и основного металла. Чтобы избежать перегрева изделий из нержавеющих сталей при их сварке с деталями из черного металла, необходимо снижать силу сварочного тока (в среднем на 20%).
• Нержавеющие стальные сплавы отличаются высоким коэффициентом линейного расширения, что приводит к значительному деформированию металла в процессе выполнения сварочных работ. Кроме того, данный фактор является причиной деформации изделий из нержавейки и в тот момент, когда они уже соединены при помощи сварки и остывают. Чтобы избежать этого, необходимо предусматривать более широкие зазоры между соединяемыми деталями.
• Высокое электрическое сопротивление, которым обладает нержавейка, становится причиной значительного перегрева сварочных электродов. Особенно актуально это в том случае, если для сварки используются электроды, изготовленные из высоколегированной стали. Чтобы избежать этих проблем, сварку как однородных, так и разнородных стальных сплавов следует выполнять короткими электродами (не более 350 мм), стержень которых изготовлен из хромоникелевых сплавов, отличающихся невысоким электрическим сопротивлением.
• Склонность к образованию межкристаллитной коррозии, которой особенно подвержены высокохромистые стали, приводит к ухудшению антикоррозионных свойств нержавейки и появлению в ее внутренней структуре трещин. Этот вид коррозии возникает также из-за перегрева металла в процессе выполнения сварочных работ. С таким явлением, суть которого заключается в том, что на границах кристаллов основного металла возникают твердые карбидные соединения, борются различными способами. К наиболее эффективным из таких способов относится быстрое охлаждение металла, подвергшегося значительному нагреву в процессе сварки. Однако следует заметить, что метод быстрого охлаждения, для которого используется обычная вода, эффективен лишь в тех случаях, когда материалом изготовления соединяемых деталей является хромоникелевая сталь.

Методы сварки изделий из нержавеющих сталей и черного металла

Для того чтобы сварить заготовки из нержавейки и черных стальных сплавов, получив при этом качественные и надежные соединения, применяют сварку следующих типов:

• покрытыми штучными электродами в режиме MMA;
• неплавящимися электродами, изготовленными из вольфрама;
• в среде защитного газа, в качестве которого преимущественно используется аргон.

Если сварка изделий из черного металла и нержавейки проводится по первой технологии (MMA), то необходимо взять электроды, специально предназначенные для выполнения соединений цветных металлов и сплавов.

Марки и применение высоколегированных электродов

Однако лучше всего варить нержавейку и черный металл в среде защитного газа аргона. Для этого, естественно, потребуется специальный сварочный аппарат. Аргон в данном случае обеспечивает надежную защиту зоны формируемого сварного шва от чрезмерного насыщения металла азотом и его окисления. Если не обеспечить такой защиты, то металл сформированного сварного шва будет очень хрупким, что значительно снизит надежность полученного соединения.

Схема сварки нержавейки аргоном

Чтобы качественно сварить изделия из нержавейки и черного металла, в процессе выполнения операции необходимо следить за положением электрода. Последний, чтобы сварной шов получился качественным и надежным, надо держать перпендикулярно к поверхности соединяемых заготовок.

Выбор электродов

Чтобы надежно приварить изделие, изготовленное из нержавейки, к детали из обычного черного металла, следует учитывать ряд важных нюансов. В первую очередь они касаются выбора присадочной проволоки определенного химического состава. В металле присадочной проволоки, степень легирования которого должна быть выше, чем аналогичный параметр материала свариваемого изделия, обязательно должны содержаться такие элементы, как марганец, никель и иногда хром.

Марки и химический состав высоколегированной сварочной проволоки (нажмите для увеличения)

Важным условием формирования качественного сварного соединения является наличие в составе формируемого шва некоторой доли основного металла. В зависимости от используемой технологии сварки количество основного металла в материале сварного шва может составлять 30–40%.

Прежде чем варить заготовку из нержавейки с деталью из черного металла, следует выяснить химический состав свариваемых сталей, чтобы правильно подобрать тип электродов.

Разнородные материалы, которые необходимо соединить при помощи сварки, могут отличаться по целому ряду параметров:

• способности образовывать неразъемные соединения (свариваемости);
• теплопроводности;
• механическим характеристикам;
• степени легирования;
• химическому составу.

При этом стальные сплавы, изделия из которых необходимо сварить между собой, могут относиться к одной из следующих категорий:

• углеродистые;
• низколегированные;
• теплоустойчивые;
• легированные;
• отличающиеся высокой степенью легирования – высоколегированные.

Ориентировочный выбор сварочного материала в зависимости от назначения сварочного шва

Основная проблема, с которой связана сварка разнородных сталей (нержавейки и черных металлов), заключается в образовании трещин в сформированном сварном шве. Очень часто, чтобы избежать такой проблемы, для сварки изделий из нержавейки с деталями из черных металлов специалисты используют высоколегированные электроды, позволяющие сформировать сварной шов с высокими прочностными параметрами.

Результат дуговой сварки нержавейки с черной сталью электродом ОЗЛ-6. Швы хоть и темнее, но не поржавели за несколько месяцев

Вообще для сварки изделий из нержавейки с деталями, изготовленными из черных металлов, используют несколько основных типов электродов:

• Э50А – для сталей, отличающихся высокой теплоустойчивостью;
• ОЗЛ-25Б – для стальных сплавов, относящихся к категории жаропрочных;
• НИАТ-5 – для сталей, отличающихся аустенитной внутренней структурой;
• ЦТ-28 – для стальных сплавов, содержащих в своем химическом составе значительную долю никеля.

Как сварить нержавейку и чермет

Никогда не возникает вопросов, когда производится сварка идентичных по составу металлов. Проблемы возникают, когда свариваются две разные заготовки. И, скорее всего, не проблемы, а трудности, касающиеся правильного подбора технологий и режимов сварки, а также расходных к ним материалов. К примеру, сварка нержавейки и черного металла. Вроде бы две стали, но с разными техническими свойствами. Поэтому правильно варить два этих сплава – это значит, точно подобрать параметры сварочного процесса. Ведь сваренный шов будет держать обе заготовки прочно лишь в том случае, если он состоит из того же металла, что и свариваемые детали.

С черным металлом все более или менее понятно. Это самый распространенный материал, который легко поддается свариванию любыми видами сварки. С нержавеющей сталью все намного сложнее.

Особенности сварки нержавейки

Есть четыре технические характеристики нержавеющей стали, которые делают ее сварку особенной.

1. Низкая теплопроводность металла. Если сравнить данный показатель с черной сталью, то она у нержавейки в два раза ниже. Это говорит о том, что в процессе нагревания металла он не отводит тепловую энергию, а накапливает в себе. А это чревато повышением температуры на определенном участке, что при сварке обязательно приведет к прожогам. Эту проблему можно решить просто – нужно уменьшить силу тока на 20-30%.
2. Линейное расширение у нержавейки выше, чем у черного металла. Почему так важно данное значение. Все дело в том, что после большого расширения при нагреве будет происходить обратный процесс – усадка на туже величину, что и расширение. То есть, две заготовки могут порвать сварочный шов, или в нем появятся трещины в большом количестве. Выход из положения – большой зазор между свариваемыми деталями.
3. Электрическое сопротивление. Этот показатель у нержавейки тоже большой. Он влияет на электрод, а точнее на его перегрев в процессе сварки нержавейки и стали. Поэтому необходимо длину расходника уменьшить до предела 35 см, не больше.
4. Нержавеющая сталь под действием высоких температур меняет свои качества. То есть, из нержавейки она превращается в обычную сталь. Поэтому очень важно ее не перегревать. При +500С на зернах металла образуется карбидное соединение, которое и снижает антикоррозионные свойства нержавейки. По сути, коррозия начинает происходить на межкристаллических связях. Решается данная проблема по-разному, например, свариваемые детали охлаждаются водой.

Сварка нержавейки с черным металлом

Можно ли, и как сварить нержавейку с черным металлом? Вопрос, который требует особого подхода. Главное – правильно выбрать технология сваривания. Чтобы ее провести, можно использовать:

• Ручную дуговую сварку плавящимся электродом.
• Неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитных газов с присадкой или без таковой.

Кстати, в качестве присадочного материала нужно использовать нержавеющую проволоку.

Сказать, что первый способ сварки лучше, а второй нет, или наоборот, нельзя. В каждой технологии есть свои особенности и нюансы. К примеру, чтобы сварной шов при ручной электродуговой сварки был качественным, нужно использовать электроды, с помощью которой можно варить саму нержавейку. Вторая технология предопределяет использование присадки только из нержавейки. Причем в ее состав обязательно должны входить легированные добавки: никель и марганец, редко хром. Но в сварочном шве все же должно быть больше нержавеющей стали. Идеальный шов, если в составе его металла входит 40% чистой нержавейки.

Что касается плавящихся электродов, то они подбираются с учетом состава обоих свариваемых металлов: нержавейки и обычной стали. Все дело в том, что две заготовки могут отличаться не только техническими и механическими параметрами, но и разной степенью свариваемости, наличием или отсутствием легированных материалов, их процентным содержанием.

К тому же присутствие никеля в двух сплавах делит их на несколько категорий: легированные, низко- или высоколегированные, углеродистые или теплоустойчивые. Поэтому, выбирая электрод, придется все это учитывать. Хотя существует определенное правило сварки нержавейки и черной стали. Если хотите получить качественный шов без внутренних трещин – используйте расходник, который используется для сварки высоколегированных сталей. Стержень таких электродов обладает высокими прочностными характеристиками.

Марки каких электродов подойдут для сварки черной стали и стали нержавеющей:

• НИАТ-5 – прекрасно варит аустенитных металлов.
• ЦТ-28 – для нержавейки.
• Э50А – для сплавов с высоким показателем теплоустойчивости.
• ОЗЛ-25Б – для жаропрочных металлов.

Особенности сварки черного металла с нержавейкой

Особенность соединения двух разноплановых видов сталей заключается в том, что в процессе их нагрева происходит расплав. Металлы становятся мягкими, но нержавейка в этом плане становится текучей, как вода, а черная сталь приобретает вязкую консистенцию. Это и есть большая проблема. Решить ее можно только одним способом – использовать для соединения электрод для сварки нержавейки. К примеру, ОК61.30 – это универсальная марка, или ОК67.45 – этот электрод обычно используется в самых сложных ситуациях, к которым относится сварка нержавеющей стали и стали из черного металла.

Кстати, ручная электродуговая сварка плавящимся электродом в данной ситуации является самой простой по сравнению с другими технологиями. Но использование газосварки считается более качественным вариантом в плане получения шва высокого качества. Все дело в том, что присадочная проволока из нержавеющей стали снижает текучесть основного металла почти в три раза. Из этого можно сделать вывод:

• Если вам необходимо соединить детали из нержавейки и черного металла в домашних условиях, то выбирайте электродуговую сварку.
• Если нужно, чтобы соединение смогло выдержать приличные нагрузки, тогда лучше воспользоваться сваркой в среде защитного газа.

Кстати, аргоновую сварку часто для этих целей лучше не использовать, слишком дорого обойдется такое соединение. Можно ее заменить обычной газосваркой, используя в качестве присадки нержавеющую проволоку. Идеально будет, если зону сварки защитить флюсом. Но и его также придется выбирать из расчета сваривания двух разных сплавов.

Режимы для сварки

Толщина соединяемых заготовок, мм	Диаметр электрода, мм	Род тока	Сила сварочного тока, А
1	2	постоянный	30-60
2	3	постоянный	50-80
4	4	постоянный	90-130

Технология сварки

Как и во всех сварочных процессах, свариваемые заготовки необходимо подготовить: очистить кромки или торцы металлической щеткой до блеска, обезжирить, если есть такая необходимость. Для обезжиривания можно использовать растворитель или спирт. Если буде производится газосварка, то в стык укладывается флюс.

Сваривать черный металл и нержавеющую сталь лучше в нижнем положении. Таким образом, предотвращается растекание металла. Сваривание плавящим электродом должна производиться с соблюдением точных движений рук сварщика. В основном электрод должен располагаться ближе к черному металлу, потому что он меньше, чем нержавейка, становиться текучим.

При газосварке все эти же процесс происходят точно также, только медленнее. Шов надо формировать глубоким и широким. Чем больше однородного металла между заготовками, тем лучше. Самое главное никаких быстрых способов охлаждения, металл сварочного шва должен остывать медленно.

Конечно, чтобы добиться качества конечного результат, надо иметь опыт сваривания разнородных металлов. Поэтому после завершения сварочной процедуре рекомендуется провести контроль качества шва. Это можно сделать несколькими способами.

1. С помощью обычного керосина. Его наносят на поверхность шва, а с другой стороны проверяют, не прошел ли он сквозь соединение заготовок. Если керосина с обратной стороны нет, то сварка прошла на высоком уровне.
2. То же самое можно сделать, используя ацетон. Можно его подкрасить пигментом для лучшего проявления с обратной стороны сварного шва.
3. Существует так называемый гидравлический способ контроля. Обычно с его помощью проверяется шов на прочность. Если чисто визуально были обнаружены дефекты стыка, то этот вариант проверки качества лучше не использовать.

Становится понятным, что приварить нержавейку к обычной стали, это достаточно ответственный процесс. Не зная тонкостей сварочной технологии, не зная правил выбора расходных материалов, сделать стальной стык качественным не получится. Самое главное, как показывает практика, это поймать ту середину, когда расплавленная нержавейка не стала сильной текучей. А при этом черный металл не остался твердым.

Технология сварки разнородных сталей

Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.

В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Класс сталей и сварочных материалов

Перлитные и бейнитные

09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА

30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ

Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)

12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169

Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные

12 %-ные хромистые, жаростойкие

08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2

12 %-ные хромистые, жаропрочные

Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе

Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные

Жаропрочные никелевые сплавы

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей – образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:

– Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);

– Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;

– Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;

– Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.

Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.

Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.

При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).

При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.

Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)

Композиция наплавленного металла

Предельная температура эксплуатации, °С

Сварка нержавейки и черного металла электродом

Сварить нержавейку с черным металлом может далеко не каждый сварщик. Связано это, прежде всего, с разнородным составом нержавейки и черного металла, и особой технологией сварки электродом.

И хотя нержавеющая сталь практически наполовину состоит из черного металла, в ней присутствуют и цветные металлы, которые требуют особого подхода при сваривании. Тем не менее, сварку нержавейки с черным металлом осуществить можно, нужно только придерживаться правильной технологии.

Что потребуется для сварки нержавейки и черного металла

Если есть необходимость сварить нержавеющую сталь и черный металл в домашних условиях, то, для этих целей, необходимо будет использовать:

• Сварочный инвертор постоянного тока;
• Электроды (о том, какими электродами варить нержавейку и черный металл, будет рассказано ниже, в этой статье сайта про сварку mmasvarka.ru );
• Проволоку из нержавеющей стали (она будет использоваться в качестве присадочного материала).

Отдельного внимания заслуживают электроды для сварки нержавейки и черного металла.

Какими электродами варить нержавеющую сталь

Для сварки нержавеющей стали с черным металлом нужны электроды, которые применяются для сварки жаропрочных сталей и сплавов на основе никеля.

Данным нормам и требованиям отвечают следующие марки электродов:

• Электроды ОЗЛ-25Б — используются в тех случаях, когда нужно варить жаростойкие стали;
• Электроды НИАТ-5 — самые популярные электроды для сварки аустенитных сталей;
• Электроды ЦТ-28 — применяются для сварки разнообразных сплавов, в том числе и на основе никеля.

Сварка нержавейки с черным металлом

Технология сварки нержавейки с черным металлом должна соблюдаться согласно следующих требований:

• Нержавеющей стали присущ большой коэффициент расширения, поэтому нужно выдерживать достаточные зазоры между свариваемыми заготовками;
• При сварке нержавеющей стали и черного металла, заготовки нужно быстро охлаждать. Это позволит не потерять их коррозийную устойчивость;
• Для сварки лучше будет использовать короткие электроды, не более 35 см. Таким образом, можно не допустить чрезмерно большого перегрева металла;
• Рекомендуется понижать сварочный ток, не менее чем на 20%, учитывая низкую теплопроводность нержавеющей стали.

Кстати о силе тока, поскольку данный показатель весьма важен при сварке нержавейки и черного металла. Во многом здесь все зависит от толщины материалов и используемых электродов для сваривания.

Так, при сварке нержавейки и металла, рекомендуется придерживаться следующих параметров в настройках инвертора:

• Тонкую нержавейки, толщиной до 1 мм, варят электродами не более 2 мм в диаметре, выставляя при этом силу тока на сварочном инверторе в 60 Ампер;
• Металл от 2 до 3 мм, рекомендуется варить электродами 3,0 мм, а силу тока на инверторе выставлять в районе 80 А;
• Толстые заготовки, толщина которых 4 и более миллиметров, варят электродом 4 мм, а сила тока на инверторе колеблется от 100 до 130 А, в зависимости от пространственного положения сварки.

Следует обязательно учитывать силу тока при сварке нержавейки с черным металлом, поскольку если она будет слишком большой, то это приведёт к образованию прожога сварного шва.

Технология выполнения сварочных работ

Сам процесс сварки нержавейки и черного металла выглядит таким образом:

• Для сварки можно использовать электроды с никелевым покрытием и электроды, стержень которых будет выполнен из высоколегированной стали. Данными электродами сначала наплавляются кромки черного металла, после чего создаётся сварочный шов с использование плакированной стали. Получить качественное соединение возможно с использованием никелевых электродов;
• Перед началом сварочных работ, рекомендуется прокалить электроды в духовом шкафу, при температуре не менее 200 градусов. Время прокалки электродов — 1 час;
• Для сварки нержавейки с черным металлом применим только постоянный ток;
• Как и требуется, перед тем, как варить нержавеющую сталь и черный металл, их поверхность обязательно нужно отчистить от ржавчины, грязи и налёта.
• При сварке, рекомендуется, как можно больше захватывать черного металла, что даст возможность получения качественного и надёжного сварочного шва.

Осуществить проверку сварочного шва можно посредством керосина. Достаточно будет нанести керосин кисточкой с одной стороны сварного соединения, подождать некоторое время, после чего перевернуть деталь. Если с другой её стороны проступил керосин, то это будет означать только одно — сварочный шов низкого качества.