Сварка сталей

Книга: Сварочные работы. Практическое пособие

По свариваемости стальные материалы обычно подразделяют на 4 группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся (табл. 32). Иногда вводят пятую: не сваривающиеся (данным способом сварки).

Наиболее существенное влияние на состояние ЗТВ и свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы – хром, вольфрам, молибден и ванадий. Последние ухудшают свариваемость за счет образования карбидов (служащих концентраторами напряжений) и за счет понижения критических скоростей закалки.

Углерод до 0,25 % почти не оказывает влияния на свариваемость. При большем содержании значительно ухудшает ее – увеличивает твердость и уменьшает пластичность, приводит к закаливаемости ЗТВ и к появлению трещин, к увеличению количества газовых пор в процессе окисления при сварке.

Марганец при содержании до 1 % не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. В качестве хорошего раскислителя он способствует уменьшению содержания кислорода в стали. Однако при содержании более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как повышается твердость стали, появляются закалочные структуры, могут быть трещины.

Кремний – до 1 % вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. Но при содержании кремния более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие оксиды, ведущие к появлению шлаковых включений, повышаются прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость.

Хром – до 0,6 % не отражается на свариваемости. При содержании хрома более 1 % свариваемость ухудшается, особенно при повышении содержания углерода.

Никель – в обычных углеродистых сталях содержание никеля составляет до 0,3 %, а в высоколегирующих – до 28 %. Никель, вместе с прочностью, увеличивает пластичность как исходной стали, так и шва, и не ухудшает, а даже улучшает свариваемость.

Молибден – в сталях от 0,5 до 3,0 % существенно увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость, повышает склонность к образованию трещин в шве и в ЗТВ.

Медь – содержание ее в сталях до 1 % улучшает свариваемость, повышает их прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Титан и ниобий в количестве до 1 % вводят в хромистые и хромоникелевые стали для улучшения свариваемости. В бóльших количествах они могут ухудшить свариваемость. Титан при этом способствует образованию горячих трещин.

Трещинообразование при сварке

Отсутствие холодных или горячих трещин при сварке является основной характеристикой свариваемости. Трещины, образующиеся при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.

Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид:

Сэкв = С + Mn/6 + (Cr+V+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15,

где С, Мn, Cr, V, Mo, Ni, Сu – массовые доли углерода, марганца, кремния, ванадия, молибдена, никеля и меди, %.

При Сэкв ≤ 0,45 – свариваемость хорошая для легированных сталей.

При Сэкв ≤ 0,49 – свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.

При Сэкв > 0,45 до 0,5 – свариваемость удовлетворительная, но сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры Т = 350(Собщ – 0,25)^½, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины S свариваемых деталей: Собщ = Сэкв(1 + 0,005S).

При Сэкв > 0,5 до 0,6 – свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.

При Сэкв > 0,6 до 0,8 – свариваемость плохая.

Пример. Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36–0,44; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45–0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.

Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.

Сэкв=0,4+0,65/6+0,6/5+1,4/15 ≈ 0,72 > 0,45. Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать.

Собщ = 0,72(1+0,005 × 5) ≈ 0,74. Таким образом, детали нужно нагреть перед сваркой до температуры Т=350(0,74–0,25)^½ ≈ 245 °C.

Формул для определения Сэкв существует около десятка, и достоверность их, в принципе, весьма относительная, так как формулы эти эмпирические, т. е. без вывода. Вот некоторые из них:

1. Рекомендованная ГОСТ 27772–88 формула для всех сталей:

Сэкв = С+ Mn/6 + Si/24 + Cr /5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2.

2. Уточненная формула для всех сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + Сr/6 + Si/5 + Cu/7 + Р/2 + Ni/12 + Mo/4 + V/5.

3. Для малоуглеродистых сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + 0,024S, где S – толщина свариваемой кромки (наибольшей).

4. Для легированных сталей:

Сэкв = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10 + 0,024S, где S – толщина металла.

5. Для различных сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + Сr/3 + Ni/15 + V/5.

Во всех формулах количество указанного элемента дается в процентном содержании, затем выполняется вычисление.

В процессе кристаллизации металла шва в ЗТВ могут возникать горячие трещины. Они проходят по границам кристаллитов и вызывают межкристаллитное разрушение. Чувствительность сварного соединения к образованию горячих трещин (HCS) вычисляют по формуле:

При HCS < 4 горячие трещины не образуются. Для высокопрочных сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6–2,0.

Сварка низкоуглеродистых и углеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали (С < 0,25 %) хорошо свариваются, а сварные соединения легко обрабатываются режущим инструментом.

Электросварку ведут электродами типа Э42 и Э46. В большинстве случаев не требуются специальные меры, направленные на предотвращение образования закалочных структур. Однако при сварке угловых швов на толстом металле и первого слоя многослойного шва для повышения стойкости металла к кристаллизационным трещинам может потребоваться предварительный подогрев до температуры 120–150 °C.

Для сварки рядовых конструкций из низколегированных сталей обычно применяют электроды типа Э42А, а ответственных – типа Э50А, что обеспечивает получение металла с достаточной стойкостью к кристаллизационным трещинам и требуемыми прочностными и пластическими свойствами.

Распространенные стали типа 15ХСНД при сварке склонны к образованию закалочных структур. Для предупреждения перегрева и закаливания рекомендуется многослойная сварка с большим интервалом времени между наложением слоев. Дуговую сварку металла толщиной 2 мм и более выполняют электродами УОНИИ-13/45, УОНИИ-13/65 на постоянном токе обратной полярности. Для изделий толщиной более 15 мм после сварки необходима термообработка – высокотемпературный отпуск (550–650 °C).

Газосварка углеродистых сталей. Низкоуглеродистые стали обладают хорошей свариваемостью в широком диапазоне значений тепловой мощности пламени. Вид пламени – нормальное. Его тепловую мощность при левом способе сварки выбирают исходя из расхода ацетилена 100–130 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла, а при правом способе – 120–150 дм³/ч.

Сварку проводят как левым, так и правым способами без флюса с использованием в качестве присадочного материала сварочной проволоки следующих марок:

● Св-08 и Св-08А – для неответственных конструкций;

● Св-08Г, Св-08ГА, Св-10ГА и Св-14ГС – для ответственных конструкций.

Для уплотнения и повышения пластичности наплавленного металла после сварки применяют проковку и последующую термообработку шва. Проковку рекомендуется осуществлять при температуре светло-красного каления (800–850 °C) и заканчивать при температуре темно-красного каления. Термической обработке после сварки подлежат ответственные и толстостенные конструкции.

Сварка углеродистыхсталей. Углеродистая сталь делится на высоко-, средне– и низкоуглеродистую в зависимости от количества углерода в ней. Высокоуглеродистые стали содержат 0,5–1 % С, среднеуглеродистые – 0,3–0,5 %.

При электросварке среднеуглеродистых сталей возможно образование трещин как в основном, так и в наплавленном металле. Трудность сварки таких сталей заключается в обеспечении необходимого термического цикла для улучшения ЗТВ. Для получения качественных соединений перед сваркой необходим подогрев изделия. Чем больше углерода в стали, тем выше должна быть температура предварительного подогрева. Подогрев выполняется симметрично сварному шву на ширину 50–80 мм от оси шва до температуры 100–350 °C. После сварки изделие вновь помещают в печь, нагревают его до 675–700 °C, медленно охлаждают вместе с печью до 100–150 °C. Дальнейшее охлаждение изделия возможно на воздухе. При термических воздействиях (подогрев и т. п.) необходимо учитывать и температуру окружающего воздуха, чтобы скорость охлаждения была медленной – не более 50 °C в секунду, во избежание образования трещин.

Тип электрода для сварки по прочности должен быть не ниже прочности основного металла: марок УОНИИ-13/45, УОНИИ-13/55, УОНИИ-13/65, УП-1/45, ОЗС-2, УП-2/45, ВСП-1, МР-1, ОС 3–4 и др. Сварку электродами УОНИИ-13/55, ОЗС-2, ВСП-3 можно выполнять только на постоянном токе обратной полярности. Применение электродов ВСП-1, МГ-1, ОЗС-4 позволяет использовать любой род тока. Перед сваркой электроды необходимо просушить при температуре 150–200 °C.

При механизированных способах сварки нужно применять проволоку малых диаметров (например, 1,2 мм) с минимальной погонной энергией. Большая глубина проплавления для таких сталей неприемлема, так как происходит оплавление основного металла в больших объемах, при этом усложняются режимы сварки и при малейших отклонениях ухудшается качество.

Для газовой сварки среднеуглеродистых сталей нужно нормальное или слегка науглероживающее пламя. Его тепловая мощность должна быть меньше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей (расход ацетилена 75–100 дм³/ч на 1 мм толщины металла).

Сварку сталей при содержании углерода до 0,45 % проводят без флюса, а при 0,45–0,6 % – с флюсами следующих составов, %:

● прокаленная бура – 100;

● карбонат калия – 50, гидроортофосфат натрия – 50;

● борная кислота – 70, карбонат натрия – 30.

В качестве присадочного материала используют проволоку марок Св-08ГА, Св-10ГА и Св-12ГС.

При толщине металла свыше 3 мм осуществляют общий подогрев изделия до температуры 250–350 °C или местный подогрев горелками до температуры 600–650 °C.

Сварку выполняют только левым способом, чтобы уменьшить перегрев основного металла. Для улучшения механических свойств сварного соединения шов проковывают при температуре 850–900 °C с последующим высокотемпературным отпуском при температуре 600–650 °C.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Высокоуглеродистыестали с содержанием углерода 0,48–0,70 %, как правило, не применяются для сварных конструкций как непригодные. Из этих сталей изготавливают различные детали, которые подвергаются наплавке для повышения износостойкости, как новые, так и при восстановлении (ремонтные), например валки прокатных станов, подкрановые колеса мостовых кранов и т. п.

Технология электросварки высокоуглеродистых сталей обязательно предусматривает предварительный подогрев до 350–400 °C, иногда сопутствующий подогрев и последующую термообработку. Сварку выполняют узкими валиками небольшими участками. Сварка при температуре окружающей среды ниже 5 °C и на сквозняках недопустима.

Определение марки стали довольно точно можно произвести по пучку искр, образующемуся при ее обработке на наждачном круге. Форма и длина нитей искр, цвет искр, форма пучка различны для разных марок стали:

● малоуглеродистая сталь – непрерывные соломенно-желтые нити искр с небольшим количеством звездочек на концах нитей;

● углеродистая сталь (с содержанием углерода около 0,5 %) – пучок светло-желтых нитей искр со звездочками;

● инструментальная сталь У7 – У10 – расходящийся пучок светло-желтых нитей с большим количеством звездочек;

● инструментальная сталь У12, У13 – плотный и короткий пучок искр с очень большим количеством «разветвленных» звездочек;

● инструментальная сталь с содержанием хрома – плотный пучок темно-красных нитей искр с большим количеством желтых звездочек; звездочки сильно «разветвленные»;

● быстрорежущая сталь с содержанием хрома и вольфрама – пучок прерывистых темно-красных нитей искр, на концах которых более светлые звездочки каплеобразной формы;

● пружинная сталь с содержанием кремния – широкий пучок темно-желтых искр с более светлыми звездочками на концах нитей;

● быстрорежущая сталь с содержанием кобальта – широкий пучок темно-желтых нитей искр без звездочек.

Газосваркой высокоуглеродистые стали плохо свариваются из-за образования трещин в закалочных структурах основного металла. Вид пламени – нормальное или слегка науглероживающее. Его тепловую мощность выбирают исходя из расхода ацетилена 75–90 дм³/ч на 1 мм толщины металла.

Сварку выполняют левым способом без поперечных колебаний мундштука горелки с применением флюсов и проволок тех же марок, что и при сварке среднеуглеродистых сталей. Обязателен подогрев до температуры 250–350 °C. После сварки рекомендуется проковка шва с последующей нормализацией или отпуском.

Сварка легированных сталей

Легированными называются стали, которые в своем составе содержат легирующие элементы, придающие сталям специальные свойства. Приобретая новые качества от легирования, они способны воспринимать высокие нагрузки, противостоять действиям агрессивных сред и высоких температур.

Технология сварки низколегированных сталей

Низколегированные стали содержат до 0,23 % углерода, легирующие добавки (до 2 %) и иногда называются сталями повышенной прочности. Низколегированные жаропрочные стали содержат легирующие элементы – молибден, вольфрам, ванадий.

Разработка марок легирующих сталей выполняется по принципу обеспечения хорошей свариваемости. Широкое применение имеют стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и многие другие.

Особенности сварки низколегированных сталей. Эти материалы ведут себя при сварке так же, как и низкоуглеродистая сталь, но имеются отличия при действии термических циклов.

1. Больше склонность к росту зерна в околошовной зоне, особенно при перегреве.

2. Больше склонность к подкалке при повышенных скоростях остывания.

3. Стойкость металла шва против образования горячих трещин ниже из-за наличия легирующих элементов.

4. Чувствительность к концентраторам напряжений и даже к тепловым «ожогам».

При электросварке низколегированные стали имеют незначительное отличие от низкоуглеродистых. Оно заключается в правильном выборе электродов, флюсов и присадочного электродного материала с учетом прочностных характеристик стали, а также в уменьшении погонной тепловой энергии при сварке.

Величина требуемой энергии выбирается по формуле

Q_пог = Q_эф/v_св = (0,24 × I_св × U_д × η_д)/v_св,

где Q_пог – погонная тепловая энергия (берется из таблиц) в кал/см, в среднем Qпог = 8000 / 23 000 кал/см в зависимости от марки свариваемой стали;

v_св – скорость сварки, м/ч;

Q_эф – эффективная тепловая энергия;

I_св – величина сварочного тока;

U_д – рабочее напряжение дуги;

η_д – КПД дуги;

0,24 – коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые, кал/(Вт∙с).

Из формулы видно, что чем больше скорость сварки, тем меньшей мощности требуется погонная энергия.

Низколегированныежаропрочные стали сваривают в основном электродами или сплошной (специальной) сварочной проволокой в защитных газах – чаще в смесях аргона и углекислого газа (90/10 %). Электродные стержни применяют из сварочной проволоки Св12М (и ей подобных) с содержанием молибдена до 0,7 %.

При сварке жаропрочных сталей подогрев считается обязательным при толщине более 10 мм. При сварке жестких конструкций, например труб, подогрев до 200 °C считается совершенно необходимым.

При сварке хромомолибденовых сталей технологический процесс сложнее, так как после сварки необходима термообработка в виде нормализации и высокого отпуска. После термообработки жаропрочная сталь может находиться на уровне равнопрочности. Погонная энергия ограничена. Начало и конец шва должны быть на технологических планках, а не на изделии.

Сварку хромистых безникелевых нержавеющих сталей ведут на мягких тепловых режимах, с малой скоростью охлаждения сварного соединения. Для сварки применяют электроды с фтористо-калиевыми покрытиями. Сварку ведут на постоянном токе при обратной полярности. При сварке хромистых сталей большой толщины (10–15 мм) применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 300–350 °C, а после сварки – отпуск при температуре 700–720 °C.

Хромистые и хромоникелевые стали очень чувствительны к нагреву. В интервале температур 400–900 °C в этих сталях происходит образование карбидов хрома – химического соединения хрома с углеродом. Поэтому содержание хрома уменьшается, сталь теряет антикоррозионные свойства. Хром способен легко окисляться, образовывая тугоплавкий шлак и затрудняя сварку. Хромистые и хромоникелевые стали имеют низкую теплопроводность, и этим объясняется их большая склонность к короблению. Поэтому сварка хромоникелевых сталей ведется так, чтобы не было перегрева основного металла и большого объема сварочной ванны.

Сварочный ток по возможности пониженный. Дуга короткая, сварка без поперечных колебательных движений, многослойными швами. Необходимо жестко закреплять детали, чтобы предотвратить коробление свариваемого изделия. Оптимальная скорость охлаждения хромоникелевых и в особенности хромистых сталей для создания благоприятной структуры шва и околошовной зоны должна составлять 3,0–5,0 °C в секунду. При этом пригодны любые технологические способы, способные тормозить скорость охлаждения.

При сварке сталей марок 03Х18Н9Т и 06X15Т толщиной до 2 мм применяют флюсы таких составов:

● 80 % плавикового шпата и 20 % ферротитана;

● 80 % буры и 20 % оксида кремния.

Флюс разводят в воде и в виде пасты наносят на кромки и обратную сторону шва за 15–20 мин до сварки.

Особенно важно в процессе сварки равномерно и симметрично распределять по всему изделию малыми дозами тепловложение от сварочной дуги, тогда не будет перегревов и деформаций. Порядок, последовательность и направление небольших по протяженности швов должны быть четко указаны в технологическом процессе.

При газовой сварке низколегированные строительные стали 10ХСНД и 15ХСНД обладают хорошей свариваемостью. Вид пламени – нормальное. Его тепловую мощность выбирают исходя из следующих значений расхода ацетилена на 1 мм толщины металла:

● при левом способе сварки – 75–100 дм³/ч;

● при правом – 100–130 дм³/ч.

Сварку осуществляют как левым, так и правым способами без флюса с применением в качестве присадочного материала сварочной проволоки марок Св-08, Св-08А и Св-10Г2.

Для улучшения механических свойств металла шва его проковывают при температуре светло-красного каления (800–850 °C), а затем осуществляют нормализацию.

Низколегированные теплоустойчивые стали (молибденовые 12М, 15М, 20М и 2MJI, хромомолибденовые – 12ХМ, 15ХМ, 20ХМ и 30ХМ) способны закаливаться на воздухе. При газосварке происходит выгорание хрома и молибдена.

Вид пламени – нормальное, расход ацетилена – 100 дм³/ч на 1 мм толщины металла.

Сварку проводят как левым, так и правым способами без применения флюса с использованием в качестве присадочного материала сварочной проволоки марок Св-08ХНМ, Св-10ХНМА, Св-18ХМА, Св-08ХМ и Св-10ХМ. Рекомендуется предварительный подогрев стыка до температуры 250–300 °C.

При толщине металла до 5 мм сварку осуществляют за один проход с минимально возможным числом перерывов. При вынужденных перерывах перед возобновлением сварки необходимо подогреть весь стык до температуры 250–300 °C. По окончании сварки пламя горелки следует медленно отвести вверх от стыка, чтобы газы полностью выделились из расплавленного металла. Затем сваренные детали нагревают горелкой: соединения из молибденовой стали – до температуры 900–930 °C, а из хромомолибденовой – до 930–950 °C. После нагрева изделия охлаждают на воздухе.

Низколегированные хромокремнемарганцовистые стали (20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, 30ХГСА и 35ХГС) имеют склонность к закалке. Выгорание хрома и кремния приводит к образованию оксидов, шлаков и непроваров.

Вид пламени – нормальное, расход ацетилена 75–100 дм³/ч на 1 мм толщины металла.

Сварку проводят преимущественно левым способом без флюса. Для неответственных конструкций используют сварочную проволоку Св-08 и Св-08А; для ответственных – Св-18ХГСА, Св-19ХГС, Св-13ХМА, Св-18ХМА.

Сварку рекомендуется выполнять без перерывов, не задерживая пламя горелки на одном месте. Для снижения уровня деформаций сварку осуществляют от середины шва к краям обратноступенчатым способом. Для устранения образования трещин в металле шва и околошовной зоне изделия после сварки медленно охлаждают.

Особенность сварки среднелегированных сталей

Эти стали отличаются тем, что содержание углерода в них наполовину меньше, и они содержат как обязательный легирующий элемент хром – до 5 %. Остальные легирующие элементы – молибден, ванадий, вольфрам, ниобий.

В жаропрочных сталях имеет место сложное, комплексное легирование. Оно позволяет упрочнить феррит, а после сварки и термообработки получить сварные конструкции с высокой прочностью порядка 60–200 кг/мм².

Широкое применение получили стали 30ХГСА (хромомарганцовистая), 30ХН2МФА и подобные им.

При электродуговой сварке технологические рекомендации для низколегированных и среднелегированных сталей в принципе одинаковы.

Хромокремнемарганцовистые стали. Среднелегированные конструкционные стали повышенной прочности 20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА и 35ХГСА при сварке образуют закалочные структуры. В зависимости от толщины металла применяют однослойную и многослойную сварку с малыми интервалами времени между наложением слоев. Для сварки применяют электроды со стержнями Св-18ХГС, Св-18ХМА или низкоуглеродистую проволоку Св-08А с покрытием типа НИАТ-ЗМ, ЦЛ-18–63, ЦЛ-30–63, ЦЛ-14, УОНИИ-13/85. Изделия, сваренные из стали 25ХГСА, нагревают до температуры 650–880 °C с выдержкой в течение 1 ч на каждые 25 мм толщины и охлаждают на воздухе или в горячей воде.

Трудности сварки:

● повышенная вероятность появления холодных трещин в околошовной зоне, реже – в наплавленном металле вследствие повышенного содержания углерода и других элементов; сопротивляемость околошовной зоны холодным трещинам снижается из-за резкого различия ее свойств и свойств металла шва;

● повышенная вероятность образования в металле шва кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием серы, углерода;

● необходимость получения равнопрочного сварного соединения вступает в противоречие с необходимостью уменьшения содержания углерода в металле шва по условиям трещинообразования;

● разный химический состав основного металла и шва затрудняет выбор режима термообработки. При грамотном подборе присадочного материала, защитного газа, электродов, при правильно выбранном технологическом процессе сварные соединения получаются качественными и надежными. Рекомендуется применять многослойную сварку по принципу «слой на слой», с перекрытием ⅓ предыдущего слоя, но не во всю ширину шва в окончательном виде.

Варианты технологического процесса:

1. Для сварки деталей ответственного назначения из стали 30ХГСА применяется следующая проверенная технология сварки: подогрев до 350 °C, сварка в защитной газовой смеси (аргон – 90 %, углекислый газ – 10 %) с разделкой кромок; толщина металла (и шва) – 22 мм, сварочная проволока марки Св07ХНЗМД по ТУ14–1-4345–87, ∅ 1,2 мм. Сварочный ток 210–230 А, сварка в 3–4 слоя, подогрев после сварки зоны шва на 200 °C, затем защита (укутывание) асботканью в 3 слоя всей зоны сварки, остывание со скоростью 3–6 °C в секунду до 60 °C. Сварной шов испытывает большие переменные (не знакопеременные) нагрузки и прекрасно работает.

2. Сварка крупных изделий из стали 12ГН2МФАЮ выполняется проволокой сварочной марки Св08ХН2ГМТА ∅ 1,2 мм в защитной среде смеси газов: аргон – 88 % + углекислый газ – 12 %, с предварительным местным подогревом зоны сварки до 200 °C, ширина околошовной зоны ~80 мм, толщина листов 8 мм, швы в 2 слоя: один на другой – ступенькой (не во всю ширину). Указанная газовая смесь смягчает процесс сварки, уменьшает количество и размер брызг, повышает глубину провара, уменьшает вероятность появления горячих трещин и пор.

Опасной вредной примесью в околошовной зоне является водород, который диффундирует в околошовную зону, скапливается в микропустотах и несовершенствах кристаллической решетки и, переходя в молекулярную форму, создает громадное давление, что приводит к образованию трещин.

Для сваривания низколегированных и среднелегированных сталей используются ручная сварка электродами, автоматическая под флюсом, полуавтоматическая и автоматическая в защитных газах и их смесях. Оптимальная скорость охлаждения для сталей типа 30ХГСА составляет 6,3 °C в секунду.

Вариант технологического процесса. C точки зрения протекания процесса сварки, сталь низколегированную высокопрочную марки 14Х2ГМР не отличить от низкоуглеродистой, но для получения надежного качества после сварки необходимо выполнить комплекс технологических мер и правильно выбрать сварочные материалы. Варианты сварки этой стали следующие: полуавтоматическая сварка сварочной проволокой марки Св10ХГ2СМА, защитный газ СО₂ или Аr + СО₂, либо порошковой проволокой ПП-АН54 по ВТУ ИЭС № 90–73. Диаметр сварочной проволоки 1,0–1,6 мм. При ручной сварке сталей 14Х2ГМР + 09Г2С, 10ХСНД сталь 3 применяются электроды АНП-2 по ТУ 14–4-468–73 или УОНИИ-13/45.

При автоматической сварке под флюсом – проволока сварочная Св-08ХН2ГМЮ, флюс АН-17М или проволока Св-10ГА, Св-08ГС, Св-10Г2, флюс тот же. Сварка должна выполняться при отсутствии сквозняков и при окружающей температуре не ниже –10 °C. Местный подогрев до 150–200 °C применяют для больших толщин (более 8 мм) и для узлов со сложными сопряжениями деталей. Время нагрева примерно 1,5–2,0 мин на 1 мм толщины соединения нормальным пламенем газового резака. Начало и окончание сварного шва должны быть выведены на технологические пластины. Сварочный ток немного ниже обычного (до 10 %), протяженность сварки одного участка шва – до 250 мм. Рекомендуется сварка многослойным швом.

Газовая сварка. Среднелегированные и высоколегированные хромистые стали (1X13, 2X13 и др.) склонны к образованию закалочных структур на воздухе и трещин в области шва и в околошовной зоне.

Вид пламени – нормальное; расход ацетилена 70 дм³/ч на 1 мм толщины металла.

В качестве присадочного материала используют сварочную проволоку марок Св-02Х19Н9, Св-04Х19Н9 и Св-06Х19Н9Т. Сварку проводят с применением флюса следующего состава (%): борная кислота – 55, оксид кремния – 10, ферромарганец – 10, феррохром – 10, ферротитан – 5, титановая руда – 5, плавиковый шпат – 5.

Сварку выполняют в один слой с предварительным подогревом до температуры 200–250 °C и максимально допустимой скоростью, без перерывов и повторного нагрева. При толщине металла до 3 мм применяют левый способ сварки, при толщине свыше 3 мм – правый.

Сварка высоколегированных сталей

Высоколегированными называют стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5–55 %. Эти стали имеют высокие прочность, вязкость, пластичность и широко применяются в промышленности. Но далеко не все из них по свариваемости пригодны для сварных конструкций и изделий. По содержанию никеля эти стали делят на 3 группы.

1. Безникелевые.

2. Никельсодержащие – до 8 % Ni.

3. Никельсодержащие – 8–30 % Ni.

По назначению они образуют 8 групп.

1. Инструментальные высококачественные.

2. Шарикоподшипниковые.

3. Магнитные.

4. Нержавеющие.

5. Жаростойкие.

6. Маломагнитные и немагнитные.

7. Жаропрочные.

8. С высоким омическим сопротивлением (например, нихром Х20Н80).

В сварных конструкциях применяются лишь стали 4-й, 5-й и 7-й групп.

Высоколегированные стали имеют ряд свойств, которые сказываются на технологии сварки.

1. Теплопроводность по сравнению с низкоуглеродистыми сталями понижена в 1,5–2 раза, а коэффициент линейного расширения увеличен в 1,5 раза. Это приводит при сварке к концентрации теплоты и к увеличению проплавления металла изделия, поэтому силу тока нужно уменьшать на 15–20 %. Большой коэффициент линейного расширения порождает значительные деформации в процессе и после сварки, а при отсутствии зазоров в сварном соединении и большой жесткости узла или больших толщинах свариваемого изделия – даже трещины, к которым эти стали более склонны.

2. Высокое электрическое сопротивление приводит к сильному нагреву электродного стержня. Поэтому при сварке электроды с хромоникелевыми стержнями выпускают длиной не более 350 миллиметров.

3. Сравнительно большая литейная усадка увеличивает деформацию и склонность к образованию трещин.

Хромистые стали 40Х9С2, 15Х5М, 10Х5МФ, 12X13, 15X28, 15Х18С10 хорошо сопротивляются окислению при высоких температурах и стойки к агрессивной среде, но склонны к закалке на воздухе и росту зерен в ЗТВ. Их сварку необходимо выполнять с предварительным подогревом до 200–400 °C. После сварки изделие охлаждают на воздухе до 150–200 °C, а затем подвергают высокому отпуску: нагрев в печи до 720–750 °C с выдержкой в течение 5 мин на 1 мм толщины металла, но не менее 1 ч, с последующим медленным охлаждением на спокойном воздухе. Закалку проверяют с помощью магнита (закаленная сталь немагнитна).

Коррозионно-стойкие высокохромистые стали способны утрачивать антикоррозионные свойства при неправильном термическом цикле сварки. Это явление называется межкристаллитной (ножевой) коррозией. Если сталь не содержит до 1 % титана или ниобия, но содержит бор и ванадий, которые снижают жаростойкость, то при нагревании выше 500 °C происходит выпадение из твердого раствора карбидов хрома и железа по границам зерен (кристаллов). Границы зерен обедняются хромом, и карбиды хрома и железа становятся центрами коррозии и коррозионного растрескивания. Поэтому коррозия называется межкристаллитной (ножевой), так как нет химической однородности кристалла.

Последующая термообработка (чаще – закалка) позволяет восстановить антикоррозионные свойства. Нагревом до 850 °C ранее выпавшие из раствора карбиды хрома вновь растворяются в аустените, а при быстром охлаждении они не выделяются в отдельную фазу. Быстрым охлаждением фиксируется строение металла.

Такой вид термообработки называется стабилизацией. Стабилизация несколько снижает пластичность и вязкость металла, но зачастую эти свойства у коррозионно-стойких сталей не являются главенствующими, и таким эффектом можно пренебречь.

При сварке жаростойких сталей нужно обеспечивать быстрое охлаждение (любыми методами), тогда коррозионная стойкость сохраняется и без применения термообработки. К таким маркам относятся стали аустенитного класса, типа 18/8, т. е. с содержанием 18 % хрома и 8 % никеля. Эти марки сталей относятся к группе хорошо сваривающихся из-за наличия никеля и позволяют применять ускоренное охлаждение при сварке и после нее.

Для получения высокой пластичности и вязкости без потери антикоррозионных свойств сварного соединения необходимо закалить металл: прогреть по всей толщине до температуры 1000–1100 °C и быстро охладить в воде. Этот режим приемлем для хромоникелевых сталей аустенитного класса.

При электродуговой сварке электроды для высоколегированных сталей имеют основной тип покрытия и редко – смешанный. Электродный стержень близок по химическому составу к основному металлу, но с увеличенным количеством некоторых легирующих элементов (молибден, марганец, вольфрам), необходимых сварному шву для придания ему мелкозернистой структуры и для улучшения механических свойств, в первую очередь пластичности.

В сварном стыке обязательно должен быть зазор (разумного размера) для свободной усадки шва при остывании. Сварку нужно вести по возможности тонкими электродами и швами при минимальной погонной тепловой энергии. Чтобы более равномерно распределять нагрев по изделию в процессе сварки и уменьшать скорость охлаждения изделия после нее, высоколегированные стали, склонные к закалке, подогревают до 100–300 °C.

Главной причиной появления пор при сварке жаростойких сталей является водород. Источники водорода – флюс, электродное покрытие, защитный газ, различные наслоения с влагой. Поэтому свариваемые кромки должны быть чистыми. Сварочная проволока (в том числе и для электродов) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами выпускается по ГОСТ 2246–70, которым предусмотрена 41 марка, например марки Св-06Х19Н9Т, Св-04Х19Н9, Св-05Х19Н9ФЗС2, Св-10Х17Т, Св-12ХПНМФ и др. Электроды этой группы применяются для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, таких как: 15Х25Т, 08Х18Т1, 20Х23Н13, 20Х23Н18, 10Х23Н18,15Х12ВНМФ, 14Х17Н2, 12Х18Н9,12Х18Н10Т и др. Следует еще раз отметить, что никель улучшает свариваемость.

Режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов аустенитными электродами назначают с таким расчетом, чтобы отношение силы тока к диаметру электрода не превышало 25–30 А/мм. При сварке аустенитными электродами в вертикальном или потолочном положении силу тока уменьшают на 10–30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении. Электроды перед сваркой, во избежание образования пор в металле шва, прокаливают при температуре 250–400 °C в течение 1–1,5 часа.

Газовая сварка высоколегированных сталей может применяться только в случаях, когда нет другого выхода. Высоколегированные (содержащие свыше 10 % легирующих элементов) хромистые (свыше 14 % хрома) и хромоникелевые стали сваривать газовой сваркой не рекомендуется из-за резкого ухудшения их эксплуатационных свойств. Даже небольшой избыток кислорода в пламени приводит к выгоранию хрома.

В качестве присадки применяют сварочную проволоку, близкую по химическому составу к свариваемому металлу. При газосварке титан выгорает полностью, что приводит к межкристаллитной коррозии. При нагреве до 500–800 °C и медленном охлаждении, что характерно для газовой сварки, из твердого раствора выпадают карбиды хрома по границам зерен с потерей коррозионной стойкости.

Для сварки необходим еще и флюс сложного состава: 28 % мрамора, 30 % фосфора, 10 % ферромарганца, 6 % ферросилиция, 6 % ферротитана, 20 % двуокиси титана. Флюс разводится на жидком стекле и наносится на кромки детали в виде пасты. Сварка выполняется после высыхания флюса.

При наличии хороших электродов и источников питания дуги нет необходимости применять более сложную и малопроизводительную технологию сварки, да еще с потерей качества соединений.

Назад: Понятие свариваемости металлов

Дальше: Сварка чугуна