Сварка средне и высоколегированных сталей

Обновлено: 24.01.2025

Сварка этих видов сталей затруднена по ряду причин. В процессе сварки происходит частичное выгорание легирующих примесей и углерода. Вследствие малой теплопроводности возможен перегрев свариваемого металла. Эти стали отличает повышенная склонность к образованию закалочных структур, а больший, чем у низкоуглеродистых сталей, коэффициент линейного расширения может вызвать значительные деформации и напряжения, связанные с тепловым влиянием дуги. Причем, чем больше в стали углерода и легирующих примесей, тем сильнее проявляются эти свойства. Для устранения влияния пере-* численных причин на качество сварного соединения рекомендуется:

• тщательно подготавливать изделие под сварку;

• сварку вести при больших скоростях с малой погонной энергией, чтобы не допускать перегрева металла;

• применять термическую обработку для предупреждения образования закалочных структур и снижения внутренних напряжений;

• применять легирование металла шва через электродную проволоку и покрытие с целью восполнения выгорающих в процессе сварки примесей.

Электроды для сварки высоколегированных сталей изготовляют из высоколегированной сварочной проволоки. Применяют покрытие типа Б. Обозначения типов электродов состоят из индекса Э и следующих за ним цифр и букв. Две или три цифры, следующие за индексом, указывают на количество углерода в металле шва в сотых долях процента. Следующие затем буквы и цифры указывают примерный химический состав металла. Сварку производят постоянным током обратной полярности. При этом сварочный ток выбирают из расчета 25—40 А на 1 мм диаметра электрода. Длина дуги должна быть возможно короткой. Рекомендуется многослойная сварка малого сечения при малой погонной энергии.

Хромистые стали относятся к группе нержавеющих коррозионно-стойких и кислотостойких сталей. По содержанию хрома они делятся на среднелегированные (до 14% хрома) и высоколегированные (14—30% хрома). При сварке хромистых сталей возникают следующие затруднения. Хром при температуре 600—900°С легко вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбиды, которые, располагаясь в толще металла, вызывают межкристаллитную коррозию, снижающую механические свойства стали. Чем выше содержание углерода в стали, тем активнее образуются карбидные соединения. Кроме того, хромистые стали обладают способностью к самозакаливанию (при охлаждении на воздухе), вследствие чего при сварке металл шва и околошовной зоны получает повышенную твердость и хрупкость. Возникающие при этом внутренние напряжения повышают опасность возникновения трещин в металле шва. Усиленное окисление хрома и образование густых и тугоплавких оксидов являются также серьезными препятствиями при сварке хромистых сталей, ы

Среднелегированные хромистые стали, содержащие до 2% углерода, относятся к мартенситному классу. Они свариваются удовлетворительно, но требуют подогрева до 200—300°С и последующей термической обработки.

Высоколегированные хромистые стали ферритного класса сваривают с предварительным подогревом до 300—400°С. После сварки для снятия внутренних напряжений и восстановления первоначальных физико-механических свойств изделие подвергают высокому отпуску — нагреву до 650 —750°С и медленному охлаждению. Электроды изготовляют из сварочной проволоки марок СВ-01 Х19Н9,

СВ-04Х19Н9 и СВ-07Х25Н13 с покрытием, содержащим плавиковый шпат и оксид марганца. Это обеспечивает получение жидкого шлака, хорошо растворяющего окислы хрома. Рекомендуются покрытия типов ПЛ-2, ЦТ-2 и УОНИИ13/НЖ.

Хромистые стали, как и большинство легированных сталей, обладают малой теплопроводностью и легко подвергаются перегреву. Поэтому сварку их производят постоянным током обратной полярности при малых сварочных токах из расчета 25—30 А на 1 мм диаметра электрода.

Высоколегированные хромоникелевые аустенитные стали обладают рядом важных физико-химических и механических свойств: коррозионной стойкостью, кислотоупорностью, теплостойкостью, вязкостью, стойкостью против образования окалин. Важным качеством этих сталей является хорошая свариваемость.

Хромоникелевые стали марок 08Х18Н10 и 12Х18Н9 при нагреве до температуры 600—800°С теряют антикоррозионную стойкость. Выделение карбидов хрома по границам зерен приводит к межкристаллитной коррозии стали. Поэтому сварку выполняют при постоянном токе обратной полярности при малых сварочных токах, сокращая продолжительность нагрева металла. Применяют также меры по отводу теплоты, например при помощи медных подкладок или охлаждения. После сварки изделие рекомендуется подвергнуть нагреву до температуры 850—1100°С и закалке г воде или на воздухе (для малых толщин металла).

Хромоникелевые стали марок 12Х18Н9Т и 08Х18Н12Б содержат титан и ниобий, которые, являясь более сильными карбидообразователями, связывают углерод стали, предупреждая образование карбидов хрома. Поэтому эти стали после сварки не подвергают термообработке. Для сварки хромоникелевых сталей применяют электроды типов 03JI-7, ОЗЛ-8, ЦТ-1 и ЦТ-7. Рекомендуются электроды из сварочной проволоки типа Св-01Х19Н9, Св-06Х19Н9Т или Св-04Х19Н9С2 с покрытием ЦЛ-2, ЦЛ-4 (они содержат 35,5% мрамора, 41% плавикового шпата, 8,5% ферромарганца и 15% молибдена), УОНИИ-13/НЖ и др.

Тонколистовую сталь марки 12Х18Н9Т следует сваривать аргонодуговой сваркой, так как при сварке качественными электродами или под флюсом происходит науглероживание металла шва. Это снижает стойкость стали против межкристаллитной коррозии.

Хромоникелевые аустенитные стали сваривают газовой сваркой при толщине металла не более 3 мм нормальным пламенем удельной мощности 75 л/(ч мм). Присадочным материалом служат проволоки марок Св-01Х19Н9, СВ - 04Х19Н9С2, Св-06Х19Н9Т и Св-07Х19Н10Б. Сварку следует вести быстро. Флюсом служат смесь буры (50%) и борной кислоты (50%) или плавиковый шпат (80%) и дву - оксид кремния (20%).

Высоколегированная марганцовистая сталь, обладающая большой твердостью и износостойкостью, содержит 13— 18% марганца и 1,0—1,3% углерода. Она применяется для изготовления зубьев экскаваторов, шеек камнедробилок и других рабочих органов дорожных и строительных машин, работающих при ударных нагрузках и на истирание. Для сварки применяют электроды со стержнями из углеродистой проволоки марок Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 с покрытием, которое применяется для наплавочных электродов марки ОМГ, содержащим 23% мрамора, 15% плавикового шпата, 60% феррохрома, 2% графита, замешанных на жидком стекле (30% к общей массе сухих компонентов). Рекомендуются покрытия, применяемые для наплавочных электродов типа ОЗН (45—49% мрамора, 15—18% плавикового шпата, 26—33% ферромарганца, 3% алюминия, 4% поташа, замешанных на жидком стекле). Применяют также стержни электродов из проволоки марок Св-04Х19Н9 и Св-07Х25Н13 с покрытием ЦЛ-2, состоящим из 44% мрамора, 51% плавикового шпата,'5% ферромарганца, замешанных на жидком стекле (20—22% к массе сухих компонентов). Хорошие результаты дает также покрытие УОНИИ-13/НЖ.

Сварка выполняется постоянным током обратной полярности короткими участками. Сварочный ток определяется из расчета 30—35 А на 1 мм диаметра электрода. Для получения шва повышенной прочности и износостойкости следует сварной шов проковать в горячем состоянии. При этом металл шва следует интенсивно охлаждать холодной водой.

Стали молибденовые, хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые относятся к теплоустойчивым сталям перлитного класса. Эти стали применяют при изготовлении сварных паровых котлов, турбин, различной аппаратуры в химической и нефтяной промышленности, для работы при высоких температурах и давлениях. Эти стали свариваются удовлетворительно при выполнении установленных технологических приемов: предварительного подогрева до 200—300°С и последующего отжига при температуре 680—780°С или отпуска при температуре 650°С. Температура окружающего воздуха должна быть не ниже 4—5 °С. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды типов ОЗС-11, ТМЛ-1, ТМЛ-2, ТМЛ-3, ЦЛ-38, ЦЛ-39и др.

Для автоматической и полуавтоматической сварки применяют сварочную проволоку марок Св-08ХМ, Св-10Х5М и Св-18ХМА. При сварке в углекислом газе практикуют предварительный и сопутствующий нагрев до температуры 250—300°С, используют присадочную проволоку типа Св-10ХГ2СМА. После сварки рекомендуется термообработка.

Газовая сварка выполняется нормальным пламенем при

удельной мощности 100 л/(ч-мм). Присадочный материал — сварочная проволока типов Св-08ХНМ, Св-18ХМА и Св-08ХМ. Рекомендуется предварительный подогрев до 250—300°С, а после сварки — термообработка (нормализация с температуры 900—950°С).

Высоколегированные стали с особыми свойствами успешно сваривают в защитных газах. Режимы сварки подобны тем, которые используются при ручной сварке и под флюсом (ток обратной полярности, малые токи, термообработка). Электродную проволоку и флюсы применяют с учетом повышенного выгорания марганца, титана, ниобия, молибдена, никеля, т. е. элементов, обеспечивающих сохранение свойств свариваемых сталей,

Что собой представляют высоколегированные стали? Нюансы технологии их сваривания ручным дуговым методом

Для улучшения физико-механических характеристик стали производят ее легирование. Легирование стали — это добавление в состав стали различных добавок. В качестве добавок используются хром, никель, вольфрам, ванадий, титан, молибден, кремний и другие элементы. В зависимости от содержания добавок стали бывают:

низколегированные (≤ 2,5%);
среднелегированные (≤ 10 %);
высоколегированные (от 10 до 50 %).

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали применяют в различных сферах промышленности и хозяйства. Чаще всего они используются в нефтяной и химической отрасли, энергетике. Широко используются такие стали в конструкциях, работающих в условиях агрессивной среды и большого перепада температур.

По своим свойствам различают два основных вида высоколегированных сталей:

Наряду с содержанием добавок, высоколегированные стали классифицируются также по типу их внутренней структуры. Структуры их разнообразны и зависят от содержания основных элементов. При этом различают стали:

Существуют также высоколегированные стали со смешанной структурой. Например, феррит-аустенитные.

Наиболее распространенный вид высоколегированных сталей — это стали со структурой аустенит. Основными составляющими таких сталей являются никель (до 8%) и хром (≥18%). Изменением состава других добавок получают высоколегированные стали с необходимыми свойствами. При этом хром обеспечивает жаростойкость и устойчивость к коррозии, а никель делает сталь более пластичной и увеличивает жаропрочность.

Кроме того, для повышения жаропрочности в состав вводят вольфрам, ванадий, а для устойчивости к коррозии (нержавейка) в состав стали вводят титан, молибден.

Особенности сварки

По сравнению со сваркой других видов стали, сварка высоколегированных сталей имеет свои особенности. Это связано с тем, что стали такого вида имеют сниженный коэффициент теплопроводности и повышенный коэффициент линейного расширения. В результате того, что отвод тепла замедлен, увеличивается глубина проплавления основного слоя. А из-за большого коэффициента линейного расширения могут возникать деформации и трещины.

Для предотвращения трещин и других дефектов сварного шва рекомендуется:

Формировать шов с двойной структурой (аустенит и феррит). При этом для жаростойких и жаропрочных сталей количество феррита в шве должно быть в пределах 3-5%, а для коррозийно-устойчивых количество феррита может достигать 15-25%.
Снижать количество вредных примесей (сера, фосфор, свинец и т. п.), которые ухудшают свариваемость металла. Для этого надо использовать режимы с уменьшенным количеством основного материала, а свариваемые стали и материалы электродов должны содержать минимум вредных примесей.
Для обеспечения минимального насыщения шва газами при сварке надо использовать постоянный ток обратной полярности.
При сварке покрытыми электродами поддерживать короткую дугу и вести сварку без поперечных колебаний.
Правильно выбирать тип электродов с фтористокальциевыми покрытиями, уменьшающими угар легирующих элементов. Для помощи в выборе типа электрода существуют специальные таблицы. В таких таблицах для различных типов высоколегированных сталей рекомендуется использование соответствующих марок электродов.
Уменьшать влияние на шов силового фактора, включающего воздействие термических сил, деформации усадки и жесткости крепления кромок. С этой целью необходимо ограничивать ток сварки, заполнять разделку швами небольшого сечения и использовать разделки необходимой формы.

В зависимости от структуры стали, содержания в ней углерода, толщины деталей и жесткости конструкции может потребоваться подогрев свариваемых деталей.

Например, при сварке мартенситных деталей подогрев необходим во всех случаях, а для деталей со структурой аустенит такой подогрев требуется не всегда. Температура подогрева выбирается в пределах от 100 до 300 °С.

Технология ручной дуговой сварки

Подготовка к сварке:

Кромки свариваемых изделий подготавливают механическим способом. Допускается также резка плазменным, газофлюсовым или электродуговым методами. При использовании огневых типов резки необходима механическая обработка кромок на глубину 2-3 мм.
Вид стыка кромок зависит от толщины изделий. При толщине более 4 мм снимается фаска под углом в 45°, а при толщине более 8 мм фаска снимается под углом в 30°. При толщинах соединяемых изделий до 10 мм зазор между кромками составляет 1 мм, а при больших толщинах зазор может быть увеличен до 1,5-2,5 мм.
После снятия фасок свариваемые кромки зачищают от окалины на 20 мм и обезжиривают.
Сборка стыков производится в стандартных приспособлениях или в прихватках. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к сварному шву. Нельзя ставить прихватки в местах пересечения швов.

Оборудование

При выполнении ручной электродуговой сварки используется следующее оборудование:

Сварочный аппарат включает в себя источник питания для создания электрической дуги. Особенностью аппаратуры для сварки высоколегированных сталей является то, что она производится постоянным током с обратной полярностью. Поэтому в качестве источника питания для такой сварки могут служить генератор постоянного тока или выпрямитель (инвертор).

Генератор постоянного тока вырабатывает постоянное напряжение за счет преобразования механической энергии в электрическую. Выпрямитель обычно включает понижающий трансформатор и полупроводниковую схему, преобразующую переменный ток в постоянный. Часто в качестве источника постоянного тока используются инверторы. В таких приборах производится двойное преобразование электроэнергии, что позволяет получить более стабильное выходное напряжение.

Примерная стоимость инверторных источников тока на Яндекс.маркет

Кроме источника питания в состав сварочного аппарата входят панель управления, соединительные провода, сварочный электрод, держатель электрода винтового или зажимного типа.

В качестве приспособлений сварщик использует защитную маску, фильтрующую УФ- и ИК-излучения дуги, респиратор для защиты органов дыхания и спецодежду.

В набор ручного инструмента входят молоток, зубило, металлическая щетка, сумка для переноски инструмента и электродов.

Процесс сварки

Главная особенность сварки высоколегированных сталей — это требование ввода в основной материал малой погонной энергии.

Выполнение этого требования достигается за счет:

Короткой дуги.
Отсутствия поперечных колебаний.
Высокой скорости движения сварочной дуги без перерывов и повторения нагревов одного и того же места.
Использования минимально возможных режимов силы тока.

Для выбора режима силы тока имеются специальные таблицы. Например, для сварки аустенитных сталей толщиной до 2 мм электродом диаметром 2 мм рекомендуется сварочный ток силой от 20 до 50 А, а для сварки деталей толщиной от 8 до 12 мм электродом в 4-5 мм сварочный ток должен быть порядка 85-160 А.

В начале сварки дугой прогревают кромки и образуют сварочную ванну. Далее дугу равномерно перемещают по стыку. При этом необходимо следить за глубиной проплавления и отсутствием непровара. О качестве сварки можно судить по форме сварочной ванны. Если она вытянута в направлении движения дуги, то проплавление хорошее. При плохом качестве сварки ванна имеет форму круга или овала.

Высокопрочные стали и особенности их сварки

Стали с пределом прочности свыше 1500 МПа называются высокопрочными. Такой предел достигается подбором химического состава и наиболее подходящей термической обработкой. Данный уровень прочности может образовываться в среднеуглеродистых легированных сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) путем использования закалки с низким отпуском (при 200…250оС). Легирование таких сталей W, Mo, V затрудняет разупрочняющие процессы, что снижает порог хладоломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Как варить металл, если перед вами высокопрочная сталь? Сварка высокопрочных сталей отличается использованием некоторых дополнительных технологических приемов (сварка каскадом, горкой, секциями, предварительный подогрев, применение мягкой прослойки и других).

Закаленные стали (структура)

Изотермическая закалка среднеуглеродистых легированных сталей придает им немного меньшую прочность, но большую вязкость и пластичность. Поэтому они более надежны в эксплуатации, чем низкоотпущенные и закаленные. Низкоотпущенные и закаленные среднеуглеродистые стали с высоким уровнем прочности обладают повышенной восприимчивостью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению. Из-за этого их рекомендуют использовать для работы, связанной с плавным нагружением.

К высокопрочным сталям можно отнести так называемые рессорные (пружинные) стали. Они содержат 0,5…0,75% С и дополнительно легируются другими элементами. Термообработка легированных рессорных сталей (закалка 850…880оС, отпуск 380…550оС) обеспечивает получение высокой прочности и текучести. Может применяться изотермическая закалка. Сварка рессорной стали выполняется с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварочных работ и дальнейшей термической обработкой.

Мартенситно-стареющие стали (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) также относятся к высокопрочным сталям. Они превосходят среднеуглеродистые легированные стали по конструкционной прочности и технологичности. Для таких сталей характерны высокое сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладоломкости и малая чувствительность к надрезам при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали являются безуглеродистыми сплавами железа с никелем и дополнительно легированы молибденом, кобальтом, алюминием, хромом, титаном и другими элементами. Эти стали имеют высокую конструкционную прочность в диапазоне температур от криогенных до 500оС и применяются в изготовлении стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов ракетных двигателей, зубчатых колес, шпинделей и так далее.

Свариваемость высокопрочных сплавов

Для изготовления тяжело нагруженных машиностроительных изделий,сосудов высокого давления и других ответственных конструкций используют среднеуглеродистые высокопрочные стали, которые после соответствующей термообработки обладают прочностью 1000…2000 МПа при достаточно высоком уровне пластичности. Необходимый уровень прочности при сохранении высокой пластичности достигается комплексным легированием стали различными элементами, главные из которых никель, хром, молибден и другие. Эти элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали. Подогрев изделия при сварочных работах не снижает скорости охлаждения металла до значений, меньших критических, и способствует росту зерна, что приводит к возникновению холодных трещин и вызывает уменьшение деформационной способности.

Поэтому такие металлы сваривают без предварительного подогрева, но с применением специальных приемов сварочных работ (блоками, каскадом, короткими или средней длины участками). Также применяют специальные устройства, которые подогревают выполненный шов и тем самым увеличивающие время пребывания его в определенном температурном интервале. Для увеличения времени нахождения металла околошовной зоны при температуре выше точки образования мартенситной структуры накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого находятся в пределах металла шва.

Во избежание трещин при охлаждении сварного соединения, необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечили бы получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это достигается, когда наплавленный металл и металл шва будут менее легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять как бы мягкую прослойку с временным сопротивлением, но с повышенной деформационной способностью. Чтобы обеспечивалась технологическая прочность сварных швов, выполненных низколегированными сварочными материалами, углерод в шве должен содержаться в количестве не более 0,15%.

Когда производится сварка закаленной стали, то после прохождения сварочной дуги на зону сварного соединения рекомендуется подавать охладитель. Это делается для уменьшения степени разупрочнения околошовной зоны. В качестве охладителя может служить душевая вода, сжатый воздух или паровоздушная смесь — в зависимости от состава свариваемого материала. Такое охлаждение снижает время нахождения металла в зоне высоких температур.

Художественная ковка — это настоящее искусство. Более подробную информацию об этом занимательном занятии читайте в нашей статье.

Технология сварочных работ по соединению высокопрочных сталей

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно подбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов с высокой деформационной способностью при минимальном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, которые не содержат в покрытии органические вещества и подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды). При этом нужно исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом в ходе сварки (ржавчина, влага и другие). Высокая технологическая прочность получается при следующем содержании легирующих элементов в металле шва: С — не более 0,15%; Si — не более 0,5%; Ni — не более 2,5%; Mn — не более 1,5%; Cr — не более 1,5%; V — не более 0,5%; Mo — не более 1,0%.

Повышение свойств шва до нужного уровня возможно путем легирования металла шва за счет основного металла. Необходимые прочностные характеристики металла шва достигаются легированием его элементами, которые повышают прочность, но не снижают его ударную вязкость и деформационную способность. Для сварки среднеуглеродистых высокопрочных сталей нужно выбирать сварочные материалы, содержащие легирующих элементов меньше, чем основной металл.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и других по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75. Если сталь перед сваркой подвергалась термической обработке на высокую прочность (закалка с отпуском или нормализация), а после сварки — отпуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения, то критерием определения температуры предварительного подогрева будет такая скорость охлаждения, при которой происходила бы частичная закалка околошовной зоны. При этом гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения дальнейшей термообработки.

Для улучшения свариваемости закаленных металлов необходимы специальные электроды

В том случае когда термообработка сварного изделия не может быть сделана, например, из-за крупных габаритов, на кромки детали, подлежащие сварке, наплавляют незакаливающийся слой металла аустенитными или низкоуглеродистыми электродами. Толщина этого слоя должна быть такой, чтобы температура стали под слоем в процессе сварки не превышала бы температуру отпуска при термообработке деталей с наплавленными кромками. Такие детали сваривают аустенитными или низкоуглеродистыми и низководородистыми электродами без подогрева и дальнейшей термообработки. Режим сварки принимают согласно рекомендациям для аустенитных электродов.

Сварочные работы в защитных газах

Высокое качество сварных соединений из среднеуглеродистых высокопрочных сталей толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. Присадочный материал для дуговой сварки в защитных газах следует выбирать в зависимости от газа, в среде которого происходит сварка. Первый слой выполняют без присадки с полным проваром кромок стыка, второй — с поперечными низкочастотными колебаниями электрода и механической подачи присадочной проволоки. Возможно и выполнение третьего слоя с поперечными колебаниями электрода без присадочной проволоки на небольшом режиме для обеспечения постепенного перехода от шва к основному металлу.

Для повышения проплавляющей способности дуги при аргонодуговой сварке применяют активирующие флюсы, которые позволяют исключить разделку кромок при толщинах 8…10 мм. Также используется флюс, представляющий собой смесь компонентов (TiO2, SiO2, NaF, Cr2O3). Такой метод с активирующим флюсом эффективен при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при таком способе сварки выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок вольфрама.

Современная аргоновая горелка

При выполнении сварки среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в основном инертных или их смесях с активными) применяют низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколегированные проволоки, например, Св-08Х20Н9Г7ТТ, Св-03ХГН3МД, Св-10ХГСН2МТ, Св-10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6. Однако равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. В данном случае можно обеспечить равнопрочность за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. Этот эффект может быть реализован при использовании так называемой щелевой разделки, которая представляет собой стыковые соединения с узким зазором.

Сварка под флюсом

Конструктивные элементы подготовки кромок для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом выполняют в соответствии с ГОСТ 8713-79. Однако в диапазоне толщин, для которого возможна сварка без разделки и со скосом кромок, последней следует отдать предпочтение. При механизированной сварке под флюсом необходимы подготовка кромок, техника и режимы сварки, при которых доля основного металла в шве была бы минимальной. Но такая методика повышает вероятность образования в сварочных швах горячих трещин.

Выбор флюса осуществляется в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки сварку выполняют под кислыми высоко- и среднемарганцовистыми флюсами. При использовании низколегированных проволок лучшие результаты обеспечивает применение низкокремнистых и низкомарганцовистых флюсов. Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенитной проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т производят только под безокислительными или слабо окислительными основными флюсами.

Электрошлаковая сварка

Схема процесса сварочных работ

Данный вид сварочных работ рационально применять для соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Основные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов при этом должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164-78. Электродные проволоки при сварке плавящимся мундштуком и проволочными электродами выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70. Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до 150…200оС.

Низкая скорость охлаждения околошовной зоны при электрошлаковой сварке приводит к длительному пребыванию ее в зоне высоких температур, вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. В связи с этим после электрошлаковой сварки среднелегированных высокопрочных сталей необходимо выполнить высокотемпературную термообработку сварных изделий для восстановления механических свойств до нужного уровня. Время с момента окончания сварки до проведения термообработки должно регламентироваться.

Сварка средне — и высоколегированных сталей

Сварка средне - и высоколегированных сталей затруднена по следующим причинам: в процессе сварки происходит частичное выгорание легирующих примесей и углерода; вследствие малой теплопроводности возможен перегрев свариваемого металла; повышенная склонность к образованию закалочных структур; больший, чем у низкоуглеродистых сталей, коэффициент линейного расширения может вызвать значительные деформации и напряжения, связанные с тепловым влиянием дуги. Чем больше в стали углерода и легирующих примесей, тем сильнее сказываются эти причины. Для устранения влияния их на качество сварного соединения рекомендуются следующие технологические меры:

Тщательно подготавливать изделие под сварку;

Сварку вести при больших скоростях с малой погонной энергией, чтобы не допускать перегрева металла;

Применять термическую обработку для предупреждения образования закалочных структур и снижения внутренних напряжений;

Применять легирование металла шва через электродную проволоку и покрытие, чтобы восполнить выгорающие в процессе сварки примеси.

Для сварки высоколегированных сталей применяют электроды по ГОСТ 10052—75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами. Типы». Электроды изготовляют из высоколегированной сварочной проволоки по ГОСТ 2246—70. Применяют покрытие типа Б. Обозначение типа электрода состоит из индекса Э и следующих за ним цифр и букв. Две или три цифры, следующие за индексом, указывают на количество углерода в металле шва в сотых долях процента. Следующие затем буквы и цифры указывают химический состав металла, наплавленного электродом. Сварку производят постоянным током обратной полярности. При этом сварочный ток выбирается из расчета 25. 40 А на 1 мм диаметра электрода. Длина дуги должна быть возможно короткой. Рекомендуется применять многослойную сварку валиками малого сечения при малой погонной энергии.

В строительстве и промышленности широко применяются средне - и высоколегированные стали: хромистые, хромоникелевые, марганцовистые, молибденовые и др.

Хромистые стали относятся к группе нержавеющих коррозионно-стойких и кислотостойких сталей. По содержанию хрома они делятся на среднеле - гированные (до 14% Сг) и высоколегированные (14. 30% Сг). При сварке хромистых сталей возникают следующие затруднения. Хром при температуре 600. 900 °С легко вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбиды, которые, располагаясь в толще металла, вызывают межкристаллитную коррозию, снижающую механические свойства стали. При этом чем выше содержание углерода в стали, тем активнее образуются карбидные соединения. Кроме того, хромистые стали обладают способностью к самозакаливанию (при охлаждении на воздухе), вследствие чего при сварке металл шва и околошовной зоны получает повышенную твердость и хрупкость. Возникающие при этом внутренние напряжения повышают опасность возникно - веня трещин в металле шва. Усиленное окисление хрома и образование густых и тугоплавких оксидов явдяются также серьезными препятствиями при сварке хромистых сталей.

Среднелегированные хромистые стали мартенситного класса (углерода до 2%) свариваются удовлетворительно, но требуют подогрева до 200. 300 °С и последующей термической обработки.

Высоколегированные хромистые стали ферритного класса (углерода до 0,35%) сваривают с предварительным нагревом до 300. 400 °С; после сварки для снятия внутренних напряжений и восстановления первоначальных физико-механических свойств изделие подвергают высокому отпуску (нагрев до 650. 750 °С и медленное охлаждение). Электроды изготовляют из сварочной проволоки марок Св - > 01X19Н9, Св-04Х19Н9 и Св-07Х25Н13 с покрытием, содержащим плавиковый шпат и оксид марганца. Это обеспечивает получение жидкого шлака, хорошо растворяющего оксиды хрома. Рекомендуются покрытия ЦЛ-2, ЦТ-2 и УОНИ-13/НЖ.

Хромистые стали, как и большинство легированных сталей, обладают малой теплопроводностью и легко подвергаются перегреву. Поэтому сварку их производят постоянным током обратной полярности при малых сварочных токах. Ток берут из расчета 25. 30 А на 1 мм диаметра электрода.

Высоколегированные хромоникелевые аустенитные стали обладают рядом важных физико-химических и механических свойств: коррозионной стойкостью, кислотоупорностью, теплостойкостью, вязкостью, стойкостью против образования окалины. Важным качеством этих сталей является хорошая свариваемость. Стали марок 08Х18Н10 и 12Х18Н9 при нагреве до температуры 600. 800 °С теряют антикоррозионную стойкость. Выделение карбидов хрома по границам зерен приводит к межкристаллитной коррозии стали. Поэтому сварку следует выполнять постоянным током обратной полярности при малых сварочных токах, сокращая продолжительность нагрева металла. Следует применять также меры по отводу теплоты, например, с помощью медных подкладок или охлаждения. После сварки рекомендуется изделие подвергнуть закалке с температуры 850. 1100°С в воде (или воздухе для малых толщин металла).

Хромоникелевые стали марок 12Х18Н9Т и 08Х18Н12Б содержат титан и ниобий, которые, являясь более сильными карбидообразовате- лями, связывают углерод стали, предупреждая образование карбидов хрома. Поэтому эти стали после сварки не подвергают термообработке. Для сварки хромоникелевых сталей применяют электроды марок ОЗЛ-7, ОЗЛ-8, ЦТ-1 и ЦТ-7. Рекомендуются электроды, изготовленные из сварочной проволоки Св-01Х19Н9, Св-06Х19Н9Т или Св-04Х19Н9С2 с покрытием ЦЛ-2, ЦЛ-4 (содержащим 35,5% мрамора, 41% плавикового шпата, 8,5% ферромарганца и 15% молибдена), УОНИ-13/НЖ и др. Тонколистовую сталь 12Х18Н9Т следует сваривать аргонодуговой сваркой, так как при сварке качественными электродами или под флюсом происходит науглероживание металла шва, которое снижает стойкость стали против межкристаллит - ной коррозии.

Хромоникелевые аустенитные стали сваривают газовой сваркой при толщине металла не более 3 мм точно нормальным пламенем при удельной мощности 75 л/(ч-мм). Присадочным материалом служат проволоки Св-01Х19Н9, Св-04Х19Н9С2, Св - 06Х19Н9Т, Св-07^19Н10Б.

Высоколегированная марганцовистая сталЬ) обладающая большой твердостью и износостойкостью, содержит 13. 18% марганца и 1,0. 1,3% углерода. Она применяется для изготовления зубьев экскаваторов, шеек камнедробилок и других рабочих органов дорожных и строительных машин, работающих при ударных нагрузках и на истирание. Для сварки применяют электроды со стержнями из углеродистой проволоки Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 с покрытием, которое применяется для наплавочных электродов марки ОМГ, содержащим 23% мрамора, 15% плавикового шпата, 60% феррохрома, 2% графита, замешанных на жидком стекле (30% к общей массе сухих компонент тов), а также типа ОЗН (45. 49% мрамора, 15. 18% плавикового шпата, 26. 33% ферромарганца, 3% алюминия, 4% поташа, замешанных на жидком стекле). Применяют также стержни электродов из проволоки Св-04Х19Н9 и Св-07Х25Н13 с покрытием ЦЛ-2, состоящим из 44% мрамора, 51% плавикового шпата, 5% ферромарганца, замешанных на жидком стекле (20. 22% к массе сухих компонентов). Хорошие результаты дает также покрытие УОНИ-13/НЖ - Сварка выполняется постоянным током обратной полярности короткими участками. Сварочный ток определяется из расчета 30. 35 А на 1 мм диаметра электрода. Для получения шва повышенной прочности и износостойкости сварной шов следует проковать в горячем состоянии. При этом металл шва следует интенсивно охлаждать холодной водой (закаливать).

Стали молибденовые, хромомо - либденовые и хромомолибденована - диевые относятся к теплоустойчивым сталям перлитного класса. Эти стали применяют при изготовлении сварных паровых котлов, турбин, различной аппаратуры в химической и нефтяной промышленности, работающей при высоких температурах и давлениях. Как правило, эти стали свариваются удовлетворительно при выполнении установленных технологических приемов: предварительного нагрева до 200. 300 °С и последующего отжига при температуре 680. 780 °С или отпуска при температуре 650 °С. Температура окружающего воздуха должна быть не ниже +5°С. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды типа ОЗС-11, ТМЛ, ЦЛ-38 и др.

Для автоматической и полуавтоматической сварки применяют сварочную проволоку Св-08ХМ, Св-10Х5М, Св - 18ХМА. При сварке в углекислом газе применяют предварительный и сопутствующий нагрев до 250. 30Q.°C, а присадочную проволоку — Св - 10ХГ2СМА. После сварки рекомендуется термообработка.

Газовая сварка выполняется нормальным пламенем при удельной мощности 100 л/(ч-мм). Присадочный материал — сварочная проволока Св-08ХНМ, Св-1&ХМА, сВ-08ХМ. Рекомендуется предварительный нагрев до 250. 300 °С. После сварки необходима термообрабЬтка — нормализация с температуры 900. 950 °С.

При сварке легированных сталей не следует доиуекать перегрева зоны термического влияния. Сварку выполняют при относительно малых сварочных токах (25. 40 А, на 1 мм диаметра электрода). Перед сваркой сталь подогревают, а затем производят соответствующую термообработку для получения высоких механических свойств и равновесной структуры металла. Сварка при температуре ниже 5°С не допускается.

Легированные стали и особенности их сварки

Легированными называются стали, которые в своем составе содержат легирующие элементы, придающие сталям специальные свойства. Основные легирующие элементы — это хром, марганец, никель, кремний, молибден, вольфрам и другие. Легирование делается с целью изменения строения металла и придания ему определенных физико-механических свойств. Легированием можно повысить коррозионностойкость материала, его твердость, износостойкость и так далее. Ниже будут рассмотрены особенности сварки легированных сталей.

Легированные стали бывают трех видов. Это низколегированные, в которых содержание легирующих элементов не более 2,5% , среднелегированные — с содержанием 2,5% — 10% и высоколегированные — более 10%. В зависимости от присутствующих в составе материала легирующих элементов они называются хромистыми, ванадиевыми, хромоникелевыми и так далее. Каждый такой элемент в маркировке стали обозначается специальными буквами: Х — хром, М -молибден, В — вольфрам, Г — марганец, К — кобальт, Ю — алюминий, С — кремний, Н — никель, Т — титан, Ф — ванадий, Б — ниобий, А — азот, Р — бор. Легированные стали подразделяются на следующие типы: нержавеющие, жаростойкие, кислотостойкие и окалиностойкие, которые и определяют сферу применения каждой конкретной стали.

Низколегированные стали

Низколегированные стали должны обладать хорошей пластичностью, удовлетворительной свариваемостью и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению. Оптимальные механические свойства они приобретают после закалки или нормализации и последующего высокого отпуска. Примеры низколегированных сталей — 14Г2, 14ХГС, 15ГС и другие. Они характеризуются малым содержанием углерода (<0,18%). Высокие механические свойства низколегированных и малоуглеродистых сталей достигаются применением других присадок (марганца, хрома, никеля, кремния и других).

Данные виды металла отличаются хорошей свариваемостью и хорошей ударной вязкостью с низким пределом хладноломкости (- 40С° — — 60С°). Они имеют мелкозернистую структуру, так как изготовляются спокойными. Наличие никели, хрома, меди увеличивает коррозионностойкость многих марок сталей. Однако низколегированные имеют повышенную чувствительность к концентрации напряжений и поэтому у них более низкая вибрационная прочность.

Технология сварки низколегированных металлов

Основными показателями свариваемости низколегированных сталей являются сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам и хрупкому разрушению. Такие металлы обычно имеют ограниченное содержание C, Ni, Si, S и P, поэтому при соблюдении режимов сварки и правильном применении присадочных материалов горячие трещины отсутствуют. Критериями при определении диапазона режимов выполнения сварочных работ и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла околошовной зоны. Максимально допустимые скорости охлаждения принимаются таким образом, чтобы предотвратить образование холодных трещин в металле околошовной зоны.

Химический состав сплавов

Электроды для сварки низколегированных сталей ручной дуговой сваркой имеют низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяют электроды типа Э70 по ГОСТ 9467-75. Сварку выполняют постоянным током при обратной полярности. Металл, наплавленный электродами, должен соответствовать следующему химическому составу, %: С до 0,10 ; Mn 0.8…1,2 ; Si 0,2…0.4 ; Cr 0,6…1,0 ; Mo 0,2…0.4 ; Ni 1,3…1,8 ; S до 0,03 ; Р до 0,03. Сварочный ток выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода, при этом учитывают положение шва в пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла. Сварку технологических участков нужно производить без перерывов, не допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры предварительного подогрева и нагрева его перед выполнением следующего прохода выше 200С°.

Особенности сварки низколегированных сталей под флюсом заключаются в её проведении на постоянном токе обратной полярности. Сила тока при этом не должна превышать 800 А, напряжение дуги — не более 40 В, скорость сварки изменяют в пределах 13…30 м/ч. Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной до 8 мм и выполняют на остающейся стальной подкладке или флюсовой подушке. Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений без скоса кромок (односторонних или двусторонних) используют проволоку марки Св-08ХН2М, так как швы в этом случае имеют излишне высокую прочность и применение более легированной проволоки для таких соединений нецелесообразно.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства металлов

Если сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей осуществляется в углекислом газе, то в качестве электрода применяют проволоку марок Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246-70) или порошковую проволоку. При сварочных работах в смесях на основе аргона используют проволоку марки Св-08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и хладостойкость металлических швов при сварке сталей с прочностью до 700 МПа. Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетом в большинстве случаев используют проволоку марки Св-08Г2С. Эту проволоку также применяют при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности 09Г2, 10Г2С1, 14Г2, 10ХСНД и 15ХСНД.

Газовая сварка низколегированных сталей характеризуется повышенным разогревом свариваемых кромок, пониженной коррозионностойкостью и усиленным выгоранием легирующих примесей. Это приводит к ухудшению качества сварных соединений по сравнению с другими способами сварки. При газовой сварке в качестве присадочного материала используют проволоку марок СВ-10Г2, Св-08, Св-08А, а для ответственных швов — Св-18ХГС и Св-18ХМА. Механические свойства шва можно повысить проковкой при температуре 800 °С — 850°С с последующей нормализацией.

Среднелегированные стали

Среднелегированные стали содержат углерод в количестве от 0,4% и более. Они легированы в основном Ni, Mo, Cr, V, W. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности достигается после закалки и низкого отпуска. Такие среднелегированные стали, как ХВГ, ХВСГ, 9ХС, пользуются большим спросом за счет своих легирующих добавок при изготовлении сверл, разверток и протяжек.

Эти стали выплавляют из чистых шихтовых материалов для повышения пластичности и вязкости. Также их тщательным образом очищают от фосфора, серы, газов и различных неметаллических включений. В этом случае стали могут подвергаться электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками. Хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности среднелегированных сталей достигается термомеханической обработкой.

Технология сварки среднелегированных металлов

Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений, нужно при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Степень изменения этих свойств зависит от доли участия основного металла в формировании шва. Поэтому следует выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основной металл. Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить свойства шва до необходимого уровня.

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке. Одновременно при выполнении сварочных работ следует исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом (влага, ржавчина и другие).

Для сварки среднелегированных сталей широко применяются аустенитные сварочные материалы. Для механизированной сварки и изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 — электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки — основные флюсы. Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и другие по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75.

Высокое качество сварных соединений толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При этом для увеличения проплавляющей способности дуги применяют активирующие флюсы (АФ). Сварка с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама.

Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленокислородом, который обеспечивает качественный сварной шов. Газы-заменители в данном случае применять не рекомендуется. Но даже ацетиленокислород не может стопроцентно гарантировать получение качественного шва. Этого можно достичь только путем применения дуговой сварки.

Закалка стали — обязательный этап в машиностроении, так как от правильности его выполнения зависит качество продукции. Подробнее читайте в этой статье.

Высоколегированные стали имеют повышенно содержание легирующих элементов — Cr и Ni (обычно не ниже 16% и 7% соответственно). Они придают таким металлам соответствующую структуру и необходимые свойства. Высоколегированные стали по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Несмотря на высокие свойства этих сталей, их основное служебное назначение определяет соответствующий подбор состава легирования. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых при закалке эти материалы приобретают повышенные пластические свойства.

Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, то есть от содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Также на структуру влияет содержание других легирующих элементов-ферритизаторов (Mo, Ti, Si, Al, W, V) и аустенизаторов (Co, Cu, C, B).

Технология сварки высоколегированных металлов

Высоколегированные стали обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут индивидуальными. Это определит и различную технологию выполнения сварочных работ, направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Легирующие элементы – обозначение

Особенности сварки высоколегированных сталей определяются наличием у них характерных теплофизических свойств. Пониженный коэффициент теплопроводности сильно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий. Поэтому для уменьшения коробления нужно применять способы и режимы, отличающиеся максимальной концентрацией тепловой энергии.

При ручной дуговой сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют широкий допуск по химическому составу. Применением электродов с фтористокальциевым покрытием достигается получение металла шва с нужным химическим составом. Тип покрытия электродов для данной сварки диктует необходимость применения тока обратной полярности. Тщательная прокалка электродов способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин.

Газовая сварка высоколегированных сталей наименее благоприятна, для соединения этих кислотостойких сталей, которые подвержены значительной межкристаллитной коррозии. Такая сварка может использоваться для сваривания жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1…2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем мощностью 70…75 л/ч на 1 мм толщины. В сварных соединениях могут образовываться большие коробления.

Сварка под флюсом высоколегированных сталей толщиной 3…50 мм имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва, а также более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.

При сварке под флюсом уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке — свыше 3…5 мм). Типы флюсов предопределяют их использование для сварки постоянным током обратной полярности.

Читайте также: