Какими электродами варить высоколегированную сталь

Обновлено: 26.04.2024

Сварочный электрод представляет собой стержень относительно небольшого размера, который изготавливается из различных металлов и обладает электропроводными свойствами. Его основное назначение – подача тока во время сваривания. То, насколько качественным будет шов, во многом зависит от выбранного электрода. Учитывая, что существует достаточно большое количество разновидностей, возникает вопрос «какие электроды лучше для решения определенной задачи?»

Диаметр стержня. Подбирается в зависимости от толщины свариваемой конструкции. Самые тонкие стержни имеют диаметр 1,6 мм. Они предназначаются для соединения листов не толще 2 мм, тогда как стержни диаметром 5-6 мм позволяют сваривать листы толщиной до 13 мм.

Марка металла. Каждая из них имеет свой уникальный химический состав и физические свойства. Так, например, для работы с жароустойчивыми сталями нужно использовать электроды, обеспечивающие температуру порядка 1100°С.

Следует учесть, что сила сварочного тока не должна быть слишком низкой, поскольку это приведет к залипанию наконечника. Если же значения будут чрезмерно высокими, дуга будет хорошо гореть, однако таким образом поверхность материала можно прожечь. В таком режиме стержни, имеющие небольшой диаметр, сгорают очень быстро, не справляясь со своей задачей.

Важно и то, из каких компонентов состоит обмазка стержня. Как правило, их 6-12. При этом каждый компонент отвечает за создание среды, необходимой для образования прочных швов со стабильными характеристиками.

слой целлюлозы – создает облако газа с восстанавливающим агентом;
фторид кальция – делает оксиды железа более плавкими, а выделяемый газ стабилизирует процесс горения;
карбонаты – отвечают за образование шлаков;
ферроматериалы (Mg и Si) – раскисляют шов после сваривания;
диоксид титана – позволяет шлаку затвердевать, что улучшает текучесть расплава;
камедь с элементами глины – делает покрытие более прочным;
железный порошок – улучшает качество шва путем выравнивания температуры.

Сварка углеродистых и низколегированных сталей

В данном случае основную роль играет материал покрытия электрода. Так, для сваривания кипящих марок стали (имеет низкое содержание углеродов и слабораскисленная) подходит любая обмазка. Чтобы сваривать полуспокойные стали, которые имеют большую толщину листов, требуется основное или рутиловое покрытие. При сваривании конструкций из спокойной стали при низких температурах или при динамических нагрузках, также используются электроды с основным покрытием .

Нестабильное горение дуги может ухудшить качество шва и не позволит нормально сваривать металлоконструкции с помощью переменного тока. Лучше всего дуга горит при наличии целлюлозного, кислого и рутилового покрытия. В таком случае можно пользоваться сварочными трансформаторами. Кроме того, нужно тщательно очистить свариваемые кромки от ржавчины, масла и грязи, дабы избежать образования пара.

Чем проводится сварка и наплавка чугуна

Процедура позволяет устранить дефекты в чугунных отливках, а также восстановить поврежденные и израсходовавшие эксплуатационный ресурс детали. В результате получается сталь, различные сплавы, в основе которых – медь, никель и т. д. Лучше всего с вышеописанной задачей справляются модели марок ЦЧ-4, ОЗЧ-2, ОЗЧ-6 и похожие. В отдельных случаях, например во время ремонта чугунных тюбингов при сильном загрязнении и высокой влажности целесообразно использовать марки ОЗЛ-25Б, ОЗЛ-27 и ОЗЛ-28.

Сварка цветных металлов

Каждый из этих металлов имеет свой порог плавления и физико-химические свойства. Так, например, интенсивная окисляемость не позволяет проводить сварку титана и его сплавов. В случае с алюминием, процесс усложняет окисная пленка, которая плавится при температуре 2060°С, а для того чтобы расплавить сам алюминий достаточно 660°С. Образовавшаяся из-за окиси пленка, может привести к нарушению целостности швов и снижению их прочности. Убирается она благодаря добавлению хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов.

Медь также имеет свои проблемы при сваривании – в шве под воздействием пузырьков газа (в особенности кислорода и водорода) образовываются поры. Во избежание этого медь должна быть хорошо раскисленной, а до начала сварки следует хорошо зачистить кромки. В свою очередь, бронза отличается высокой хрупкостью, а никель и его сплавы чувствительны к растворенным в сварочной ванне газам – азоту, кислороду и водороду. В результате этого процесса в металлоконструкции возникают горячие трещины и поры.

Резка металла

Резка металлоконструкций дугой применяется для установки и ремонта различных конструкций из металла. Она не отличается эффективностью, от нее не стоит ждать «красивого» шва, как и точного реза.

Тем не менее, такой способ резки не требует дополнительного оборудования и высококвалифицированных работников. Он легко осваивается новичком. Резка электродуговой сваркой часто применяют при обучении, в частности осваивании принципов работы с инвертором. Нередко подобный метод используют домашние мастера для недорогой резки металлов.

Сварка легированных сталей с повышенной теплоустойчивостью

Легированные теплоустойчивые стали свариваются специальными электродами, обеспечивающими определенную жаропрочность сварных соединений. Полученная конструкция должна выдерживать значительные механические нагрузки и высокие температуры.

Также минимизируется вероятность образования трещин при температурных перепадах. Так, при температурах до 475°С, используются модели из молибдена наподобие Э-09М, а при температурах до 540°С – модели с высоким содержанием хрома и молибдена (Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-09Х2М1 и Э-05Х2М). В Э-10Х5МФ высокое содержание хрома, благодаря чему ими можно сваривать конструкции из стали с соответствующим химическим составом.

Такие стали, содержат 13% хрома и обладают антикоррозийными свойствами. В данном случае металлический шов должен быть устойчив к воздействию атмосферных осадков в слабо агрессивных средах, жаростойким (максимальная температура 650°С) и жаропрочным (максимальная температура 550°С).

Такими свойствами обладают модели типа Э-12Х13 марок ЛМЗ-1, АНВ-1 и т. п. Если же в стали пониженное содержание углерода и имеется легирование никелем предпочтение лучше отдать изделиям под индексом Э-06Х13Н. Если же нужно сварить листы стали, содержащие 25% хрома, лучше всего подойдут варианты типа Э-08Х24Н6ТАФМ, делающие готовый шов пластичным, ударопрочным и коррозиестойким.

Сварки разнородных сталей и сплавов

Речь идет о сталях и сплавах, которые имеют уникальные физико-механические качества, химический состав, а также способность к свариваемости. Такие стали могут быть углеродистыми и легированными, высокопрочными, теплоустойчивыми, а также высоколегированными.

Сваривание сталей и сплавов с разнородной структурой также имеет ряд характерных особенностей. Чтобы избежать образования трещин, участков с неоднородной структурной в месте оплавления, а также чрезмерного роста остаточных напряжений используются модели наподобие АНЖР-1, ОЗЛ-27, НИАТ-5, ЭА-395/9, ОЗЛ-25Б, ИМЕТ-10 и ЦТ-28, обладающие специальными свойствами.

Совместимость со сварочным аппаратом

Выбирая, какими электродами варить сталь, необходимо учитывать не только тип материала, для которого они предназначены, но и особенности сварочного аппарата.

Конечно же, в теории и на практике владелец электродугового аппарата может использовать любой электрод. Однако на деле встречаются аппараты, которые лучше подходят для использования со стрежнями определенного вида обмазки (например, IN226 CEL – отлично подходит для электродов с целлюлозным покрытием).

Помимо этого, у сварочных аппаратов есть ограничение по силе тока. Этот диапазон накладывает собственные рамки на использование электродов по диаметру. Как определить подходят ли расходные материалы? Достаточно взглянуть на таблицу ниже:

Теперь вы ближе познакомились с электродуговой сваркой и некоторыми нюансами выбора сварочных электродов. Советуем вам ознакомиться и с другими статьями раздела, чтобы почерпнуть полезные знания о сварочных процессах, материалах и важных нюансах для повышения качества сварочных работ.

Электроды для сварки легированных сталей

Группа марок электродов для сварки легированных сталей значительно менее многочисленна по сравнению с группой электродов для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Это объясняется главным образом тем, что из всех видов покрытий для легированных электродов применяются только покрытия основного вида или, в редких случаях, рутилово-основного вида. Кроме того, разработка легированного электрода, обеспечивающего комплекс эксплуатационных и сварочно-технологических свойств, почти всегда является сложной инженерной задачей, решение которой требует больших материальных и временных затрат.

Важнейшие характеристики группы электродов для сварки легированных сталей: химический состав наплавленного металла; прочностные и вязкопластические свойства металла шва, а также специальные свойства металла сварного шва или соединения. Этими показателями следует пользоваться при выборе марки электродов для сварки определенного объекта из легированной стали.

В группу электродов для сварки легированных сталей объединены стандартизованные ГОСТ 9467—75 пять типов электродов для сварки конструкционных сталей повышенной и высокой прочности: Э70, Э85, Э100, Э125, Э150; девять типов электродов для сварки легированных теплоустойчивых сталей: Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10ХЗМ1БФ, Э-10Х5МФ; ряд марок электродов, содержащихся в ОСТ 108.948.01—86; электроды по отдельным ТУ.

Химический состав металла швов, выполненных электродами типов Э70 . Э150, не нормируется ГОСТ 9467—75 и может не приводиться в нормативно-технической документации на электроды, за исключением серы и фосфора, содержание которых не должно быть более 0,030 и 0,035% соответственно. Однако в технической документации на электроды, соответствующие указанным типам, всегда содержатся данные по химическому составу наплавленного металла, которые чаще всего являются приемосдаточной характеристикой электродов. Если же такие данные отсутствуют в числе приемосдаточных характеристик, а приведены в качестве справочных (типичный химический состав наплавленного металла), их необходимо учитывать при выборе марки электрода для сварки того или иного объекта из легированной стали.

Сварные швы объектов атомной энергетики должны обладать повышенной надежностью. Поэтому для этих целей могут быть использованы только некоторые марки электродов, выдержавших специальные аттестационные испытания. В соответствии с документом «Основные положения по сварке и наплавке узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок» ОП 1513-72 для сварки легированных сталей разрешается использовать электроды следующих марок: ЦУ-2ХМ, ЦЛ-20, ЦЛ-21, ЦЛ-38, ЦЛ-45, ЦЛ-48, ПТ-30, РТ-45А, РТ-45АА.

Электродные покрытия основного вида обеспечивают наивысшие вязкопластические свойства за счет наименьшего содержания в наплавленном металле водорода, сульфидных и оксидных включений по сравнению с покрытиями других видов. Это является первой из главных причин, по которой покрытия основного вида используют для электродов, предназначенных для сварки легированных сталей.

Второй причиной использования низководородистых покрытий основного вида при сварке склонных к образованию холодных трещин легированных сталей является отрицательное влияние водорода в околошовной зоне свариваемых изделий. Атомарный водород диффундирует из металла шва в околошовную зону, где выделяется в имеющиеся в основном металле микропустоты и поры, образовавшиеся от слияния дислокаций, которые перемещаются под воздействием сварочных напряжений. При выделении в пустоты атомарный водород превращается в молекулярный, вследствие чего развивается давление порядка 10 5 МПа, и в окружающих объемах металла возникают растягивающие напряжения второго рода. Возможна также адсорбция водорода на поверхности или в вершине образовавшейся микротрещины. В результате развития этих явлений снижается прочность металла и возрастает вероятность возникновения холодных трещин в околошовной зоне основного металла.

Электроды типа Э70. Электроды АНП-2 предназначены для сварки сталей 14Х2ГМР, 14Х2ГМ-СШ, 14ХМНДФР, 14ХГНМД; наплавленный металл легирован никелем, хромом, молибденом. Электроды ВСФ-75У предназначены для сварки труб и других ответственных конструкций из легированных сталей с временным сопротивлением 640—690 МПа. Наплавленный металл легирован молибденом и ванадием. Электроды К-5НМХ предназначены для сварки легированных сталей с пределом текучести 590—790 МПа, например 14Х2ГМР. Наплавленный металл легирован никелем, хромом и молибденом. Электроды ЛКЗ-70 предназначены для сварки углеродистых и легированных сталей повышенной прочности (до 690 МПа). Наплавленный металл легирован хромом. Сварку можно выполнять только в нижнем положении. Электроды ВСФ-85 предназначены для сварки неповоротных стыков термически упрочненных труб из легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением 690—710 МПа. Металл легирован никелем, хромом и молибденом.

Электроды НИАТ-3М предназначены для сварки сталей марок 30ХГСА, 30ХГСНА, 25ХГСА, 20ХГСА, 12Х2НВФА и др. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом. Электроды УОНИ-13/85 предназначены для сварки легированных сталей с временным сопротивлением 690—980 МПа. Наплавленный металл легирован молибденом. Электроды УОНИ-13/85У предназначены для сварки сталей 35ГС, 25Г2С, 30ХГ2С и др. Сварку производят как на постоянном, так и на переменном токе; наплавленный металл легирован молибденом.

Электроды Н-20/Св-12Х2НМА-ВИ предназначены для сварки сталей ВНЛ-3М, 30ХГСА и их сочетаний между собой в нижнем и вертикальном положениях. Наплавленный металл легирован никелем, хромом и молибденом. Электроды ОЗШ-1 предназначены для сварки легированных сталей с временным сопротивлением до 1080 МПа. Электроды Н-17/ЭП331, Н-17/ЭП331У предназначены для сварки литейных сталей 27ХГСНМЛ, 35ХГСЛ и их сочетаний со сталями 30ХГСНА, 35ХГА в нижнем и вертикальном положениях. Наплавленный металл легирован никелем, хромом, молибденом и вольфрамом. Электроды Н-17/ЭП331-ВИ, Н-17/ЭПЗЗ1У-ВИ предназначены цля сварки литейных сталей 27ХГСНМЛ, 35ХГСЛ и их сочетаний с деформируемыми сталями 30ХГСНА и 30ХГСА в нижнем и вертикальном положениях. Наплавленный металл легирован никелем, хромом, молибденом и вольфрамом.

Электроды ОЗС-11 предназначены для сварки сталей 12МХ, 15ХМ, 12ХМФ, 15Х1М1Ф и им подобных, работающих при температурах до 510 °С, как на постоянном, так и на переменном токе. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом. Электроды ТМЛ-1У предназначены для сварки паропроводов из сталей 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, работающих при температурах до 540 °С, и элементов поверхностей нагрева из сталей марок 12Х1МФ, 12Х2МФСР и 12Х2МФБ. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом. Электроды ТМЛ-4В предназначены для исправления дефектов в литых корпусных деталях турбин и паровой арматуры из сталей 20ХМЛ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, 12МХЛ, работающих при температурах до 565 °С без последующей термообработки отремонтированных участков. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом. Электроды ЦУ-2ХМ предназначены для сварки энергооборудования из сталей 15ХМ, 20ХМ, 20ХМЛ, эксплуатирующихся при температуре не выше 540 °С. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом.

Электроды ТМЛ-ЗУ предназначены для сварки паропроводов из сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, работающих при температуре не выше 570 °С, и элементов поверхностей нагрева из сталей марок 12Х1МФ, 12Х2МФБ и 12Х2МФСР, а также для заварки дефектов в элементах из тех же сталей. Наплавленный металл легирован хромом, молибденом и ванадием. Электроды ЦЛ-20 предназначены для сварки сталей 12Х1М1Ф, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ и аналогичных, эксплуатирующихся при температуре не выше 565 °С, а также для заварки дефектов отливок. Наплавленный металл легирован хромом, молибденом и ванадием. Электроды ЦЛ-17 предназначены для сварки сталей марок 15Х5М, 12Х5МА и 15Х5МФА, работающих в агрессивных средах при температуре не выше 450 °С. Наплавленный металл легирован хромом, молибденом и ванадием.

Электроды ПТ-30 предназначены для сварки энергооборудования из стали 10ГН2МФАА, эксплуатирующегося при температуре не выше 350 °С. Наплавленный металл легирован марганцем, никелем и молибденом. Электроды РТ-45А и РТ-45АА предназначены для сварки энергетического оборудования из сталей 15Х2НМФА и 15Х2НМФАА, эксплуатирующегося при температуре не выше 350 °С. Наплавленный металл легирован марганцем, хромом, никелем и молибденом. Электроды ЦЛ-21 предназначены для сварки энергооборудования из сталей марки 16ГНМА и аналогичных, эксплуатирующегося при температуре не выше 400 °С. Наплавленный металл легирован марганцем, никелем и молибденом. Электроды ЦЛ-38 предназначены для сварки энергооборудования из сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, эксплуатирующегося при температуре не выше 585 °С. Наплавленный металл легирован хромом и молибденом.

Электроды ЦЛ-45 предназначены для сварки энергооборудования из сталей 12Х1МФ, 15Х1МФ и аналогичных, эксплуатирующегося при температуре не выше 565 °С. Наплавленный металл легирован хромом, молибденом и ванадием. Электроды ЦЛ-48 предназначены для сварки энергетического оборудования из стали 16ГНМА и других марганцово-никель-молибденовых сталей, эксплуатирующегося при температуре не выше 400 °С. Наплавленный металл легирован никелем, молибденом и ванадием.

Электроды ЦЛ-57 предназначены для сварки энергетического оборудования из стали 10Х9МФБ и ей аналогичных, эксплуатирующегося при температуре не выше 350 °С. Наплавленный металл легирован хромом, молибденом и ванадием. Электроды ЦЛ-59 предназначены для сварки энергетического оборудования из стали марки 10ГН2МФА, подвергающегося нормализации или закалке с отпуском, эксплуатирующегося при температуре не выше 350 °С. Наплавленный металл легирован никелем и молибденом.

Электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов

Согласно современной классификации (ГОСТ 5632—72) к высоколегированным сталям условно относят сплавы, содержание железа в которых более 45%, а суммарное содержание легирующих элементов не менее 10%, считая по верхнему пределу, при концентрации одного из элементов не менее 8% по нижнему пределу. К сплавам на никелевой основе относят сплавы с содержанием не менее 55% Ni. Такие стали и сплавы применяют в качестве коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных материалов. Соответственно можно классифицировать и сварочные электроды по ГОСТ 10052—75 и отраслевой нормативно-технической документации. Высоколегированные электроды используют также для получения качественных соединений разнородных сталей и сплавов, при сварке конструкционных сталей без подогрева, для наплавки.

Специфическими особенностями физических свойств высоколегированных материалов являются пониженные температура плавления и теплопроводность, высокие электросопротивление и (для сталей) коэффициент линейного расширения. Указанные особенности и предопределяют поведение высоколегированных материалов при ручной дуговой сварке. Из-за низкой теплопроводности и высокого электросопротивления скорость плавления, а следовательно, и коэффициент наплавки электродов со стержнями из высоколегированных сталей и сплавов существенно выше, чем у электродов общего назначения. Повышенное электросопротивление металла стержней обусловливает применение укороченных электродов и меньших сварочных токов (20—30 А/мм). Превышение рекомендуемых документацией сварочных токов для высоколегированных электродов недопустимо, так как приводит к перегреву сварочного стержня, изменению характера плавления покрытия, вплоть до опадания кусков обмазки. Применению малых сварочных токов способствует и низкая теплопроводность металла, обусловливающая повышенную глубину проплавления (в сравнении с конструкционными сталями).

Отмечено различное поведение высоколегированных электродов при сварке на прямой и обратной полярности, связываемое с тепловыми характеристиками дуги. При сварке на прямой полярности напряжение на дуге на 15—20% выше, чем при сварке на обратной полярности. Соответственно больше тепловая мощность дуги, также повышается температура катода-электрода при сварке на прямой полярности. В основном из-за этого во избежание перегрева электрода при ручной дуговой сварке высоколегированных сталей и сплавов рекомендуется обратная полярность.

Высоколегированные стали и сплавы являются сложными металлургическими системами, содержащими в своем составе самые разнообразные элементы, которые обеспечивают их специальные свойства в различных условиях обработки и эксплуатации. Концентрация вредных примесей в них ограничена пониженными пределами, так как они в первую очередь понижают стойкость сталей и швов к образованию горячих трещин. Большое (иногда решающее) влияние на свойства сварных соединений высоколегированных сталей и сплавов оказывает металлургическая наследственность металла. Именно по этой причине целесообразен отбор плавок металла по специальным технологическим пробам для изготовления электродной проволоки.

Химический состав и структура наплавленного металла электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов отличаются, часто существенно, от состава и структуры свариваемых материалов. Даже при одинаковом составе свойства листового проката и литого металла шва будут различны, например, по пределу текучести для хромоникелевых аустенитных сталей типа 18—10 в 1,5 раза. Технология изготовления сталей и технология получения качественного сварного соединения также предъявляют специфические и противоречивые требования к составам материалов, в частности по структуре. С точки зрения обеспечения необходимой горячей пластичности и получения технологичного на различных стадиях металлургического передела металла необходима однофазная (аустенитная) структура, а для предотвращения образования горячих трещин — наличие определенного количества второй фазы в металле шва.

Основными вопросами, решающими выбор электродов при сварке высоколегированных сталей и сплавов, являются обеспечение основных эксплуатационных характеристик сварных изделий (коррозионной стойкости, жаростойкости и пр.), обеспечение стойкости металла к образованию горячих трещин, сварочно-технологические возможности электродов. Разнообразие условий работы оборудования из высоколегированных сталей и сплавов сотен марок, требований к свойствам сварных соединений в различных конструкциях (даже из стали одной марки) и к сварочно-технологическим свойствам электродов диктует необходимость использования большого ассортимента сварочных электродов.

До недавнего времени электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов отличало однообразие применяемых видов покрытий. При этом ведущим в отечественной практике является основное покрытие типа УОНИ-13, на базе которого, комбинируя проволоки различного состава, номенклатуру и содержание легирующих и раскислителей в покрытии, получают самые разнообразные электроды. Необходимость применения основных покрытий часто даже относят к общим правилам ручной дуговой сварки высоколегированных сталей всех марок. Этот взгляд во многом обусловлен опасностью развития при низкой основности покрытий кремневосстановительного процесса, приводящего к загрязнению металла шва силикатными включениями, вследствие чего возможно снижение его ударной вязкости и повышение склонности к образованию горячих трещин.

Такой процесс протекает из-за того, что стандартное связующее электродных покрытий — растворы силиката натрия — играют особую роль при сварке высоколегированных сталей. При понижении основности покрытия и наличии таких энергичных раскислителей, как алюминий и титан, возникают благоприятные условия для протекания кремневосстановительного процесса за счет сухого остатка жидкого стекла. Радикальным средством его предотвращения служит только замена связующего.

Органические покрытия в электродах для сварки высоколегированных сталей и сплавов не применяются из-за высокой науглероживающей способности и высокого содержания водорода. Органические соединения при температуре свыше ~140°С разлагаются с образованием активного сажистого углерода, который и является причиной повышения концентрации углерода в наплавленном металле. Использование рудно-кислых покрытий затруднено из-за их высокой окислительной способности.

Рутиловые и рутил-карбонатные покрытия для сварки высоколегированных сталей начали применять позже. Накопленный к настоящему времени опыт свидетельствует о рациональности их применения. К выводам о равнозначности характеристик металла шва одинакового уровня легирования и структуры, полученного с применением основных, рутиловых и рутил-карбонатных покрытий, приводят статистические данные. Рутиловые и рутил-карбонатные электроды ОЗЛ-14А, 03Л-36, ЭА-400/10Т, ОЗЛ-17У, НИАТ-1 и другие успешно применяют в различных отраслях в качестве ведущих сварочных материалов наряду с основными электродами марок ОЗЛ-8, ЭА-400/10У и пр.; рутил-карбонатные электроды ОЗЛ-9А распространены при сварке жаростойких сталей и т. д.

С точки зрения предотвращения образования горячих трещин радикальным средством является получение двухфазной структуры металла шва. При этом не важно, что представляет собой вторая фаза — δ-феррит, интерметаллиды или что-то иное. Необходимо образование в высокотемпературной области при кристаллизации металлов двухфазного строения, что приводит к получению швов с дезориентированной структурой. При двухфазной структуре металла шва его стойкость к трещинам не зависит от вида покрытия.

При сварке стабильно аустенитных сталей и сплавов для борьбы с горячими трещинами достаточно успешно применяют легирование наплавленного металла молибденом и марганцем, а в ряде случаев и азотом (электроды НИАТ-5, 03Л-37-2, АНВ-20 и др.). Это позволяет получать достаточную стойкость к трещинам даже в условиях кремневосстановительного процесса, характерного для рутиловых электродов.

Жесткие ограничения по видам применяемых покрытий накладывают требования обеспечения необходимой коррозионной стойкости металла шва в связи с продолжающейся тенденцией к применению коррозионно-стойких сталей со сверхнизким содержанием углерода (≤0,03%), что выдвигает на первый план проблему получения наплавленного металла с таким же содержанием углерода. При сварке электродами с основными покрытиями происходит науглероживание наплавленного металла. Концентрация углерода повышается за счет взаимодействия металла с углекислым газом, образующимся при диссоциации карбонатов.

При этом наиболее резко концентрация углерода возрастает при введении небольшого (до 15%) количества мрамора в покрытие и малой исходной концентрации углерода в проволоке.

Одним из ограничений может стать то обстоятельство, что мрамор при его содержании, принятом для основных покрытий, представляет собой достаточно сильный окислитель. Особенно йрко это проявляется для элементов с высоким сродством к кислороду, например для титана коэффициент перехода из проволоки уменьшается вдвое при изменении концентрации мрамора от 10 до 40. Также увеличивается разница в коэффициентах перехода элемента из проволоки и покрытия. По указанным причинам при сварке высоколегированных сталей, в состав которых входят легкоокисляющиеся элементы, часто необходимы неосновные, так называемые безокислительные рутиловые покрытия.

Применяющиеся в настоящее время в мировой практике электроды построены на принципе газошлаковой защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха. В качестве компонентов, обеспечивающих газовую защиту, применяют, как правило, карбонаты. При их уменьшении или отсутствии в покрытии газовую защиту может обеспечивать плавиковый шпат за счет выделяющихся фторидов. Плавиковый шпат также способствует устранению водородной пористости, для чего его содержание в рутиловых покрытиях не должно снижаться менее 8%. Газовый состав для электродов с покрытиями разных видов отличается не очень значительно.

Вследствие повышенной растворимости газов в металле с высокими концентрациями хрома и никеля вопросы пористости применительно к таким электродам имеют существенно меньшее значение. Основной причиной образования пор служит азот, выделяющийся из пересыщенного жидкого металла в процессе его охлаждения и кристаллизации. Низкая скорость диффузии азота является причиной того, что он при кристаллизации выделяется не так быстро, как другие газы, вследствие чего может образоваться пористость, особенно при затруднении условий выделения азота, например, при сварке в горизонтальном или потолочном положениях. Водород и кислород существенно меньше влияют на процесс порообразования, но в сочетании с азотом могут способствовать возникновению пористости металла шва, являясь газами-заполнителями.

При прочих равных условиях решающее значение часто приобретают сварочно-технологические свойства электродов. Они существенно зависят от материала электродного стержня. В частности, переход на высоколегированные стержни для покрытий закрепленного состава весьма сказывается на качестве формирования швов при сварке в различных пространственных положениях. Например, коэффициент формы выпуклости шва, служащий критерием оценки качества формирования, снизился от 3,75 (стержень Св-08) до 2,72 (стержень Св-02Х19Н9), т. е. в 1,4 раза. Вероятно это связано с изменением межфазного натяжения на границе шлак—металл и текучести ванны, представляющей собой сложную характеристику. Для высоколегированных электродов текучесть ванны жидкого металла, оцениваемая массой выплеска, резко возрастает при переходе от электродов диаметром 4 мм к диаметру 5 мм: от 0,08—0,3 до 0,9—1,1 (для разных покрытий). В обратной зависимости снижается критерий качества формирования шва — от 3,4 до 1,75 (для электродов с основным покрытием). Для электродов диаметром менее 4 мм масса выплеска, как правило, не превышает 0,1 г, что и предопределяет их технологичность. По-видимому, этим обстоятельством во многом вызвано распространение в мировой практике электродов диаметром 3,15—3,25 мм.

Сварочно-технологические характеристики высоколегированных электродов с разными видами покрытий различны. Основные покрытия дают шлаки малой жидкотекучести и предпочтительны для швов, выполняемых в вертикальном и потолочном положениях. Электроды с рутиловыми покрытиями обеспечивают более гладкую поверхность швов, легкую отделимость шлака, мягкое горение и малое разбрызгивание, дают принципиальную возможность сварки на переменном токе. Повышенная жидкотекучесть шлаков обеспечивает их легкое передвижение и повышенную скорость сварки. Рутиловые электроды обеспечивают малое проплавление основного металла. Применительно к сварке высоколегированных сталей последняя характеристика покрытий с большим содержанием оксида титана (рутила) имеет важное значение. Покрытия из плавикового шпата обеспечивают существенно большее проплавление, что нежелательно.

С учетом всего изложенного и должен осуществляться выбор марки электродов из представленных в каталожной части для конкретного применения.

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

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: