Аргонодуговая сварка аустенитных сталей

Обновлено: 20.09.2024

Сварка – это способ объединить куски нержавеющей стали вместе. Чтобы начать работу, потребуется сначала провести ряд подготовительных работ. Качество сварочного шва зависит от того, насколько точно соблюдается технология.

Особенности и сложности

Аргонодуговая сварка стали требует, чтобы вокруг создаваемого сварного шва образовалась особая среда. Повышенное внимание уделяется электрическим характеристикам. Электрическая дуга плавит нержавейку и электрод так, что они под воздействием высокой температуры сплавляются и становятся единым целым.

Пока метал горячий и расплавленный, он особенно уязвим к кислороду, азоту и водороду, что присутствуют в воздухе.

Если позволить такой атмосфере соприкоснуться с расплавленной нержавеющей сталью, то это плохо скажется на металле. В результате место, где использовался аргон, становится пористым. Вот почему работы проводятся в особой среде. Использование чистого аргона в качестве защитного газа, подаваемого в точку сварки, где дуга плавит металл, создает необходимый барьер, защищающий от окружающего воздуха.

Усилители или напряжение – это топливо для электрической дуги. Слишком низкая сила тока и дуга будут бороться за расплавление металла. Результат такой аргонной сварки – плохой сварной шов.

На другом конце спектра слишком высока сила тока. Вот почему сварной шов делается обязательно в соответствии с ГОСТ, где подробно описан процесс, как происходит подача газа и каков его расход.

Технология сварки аргоном имеет множество преимуществ. При воздействии газа сварной шов защищен от негативного влияния окружающей среды на металл. Таким образом, получается ровный, прочный стык, который характеризуется плавным и равномерным проплавом по всей длине и глубине.

Если используется металл с низкой теплопроводностью, то он слабо прогревается. Исключением может быть лишь небольшая область шва.

Благодаря положительным качествам описываемого вида сварки, есть возможность без труда соединить детали со сложной формой. Все работы отнимают немного времени, поскольку электродуга обладает большой температурой. Но есть и недостатки – к примеру, нужно иметь под рукой сложное оборудование, которое, помимо всего прочего, еще и настраивать нужно точно.

Способы

Существует несколько способов, благодаря которым можно создать качественный сварной шов без присадки.

Неплавящимися электродами

Первое, что стоит помнить, – чистый аргон для работ не используется. Это приводит к непродуктивной электрической дуге и атмосфере, которая не поддерживает дугу. В результате металл не плавится как следует, соответственно, и шов остается неоднородным. Такую работу можно охарактеризовать как низкокачественную. Слияние материалов минимальное, присадочная проволока будет находиться поверх основного металла.

Более того, будет наблюдаться избыток брызг, которые потом нужно снять с нержавеющей стали. По существу, такой сварной шов вообще не годится, можно не тратить зря свое время.

Метод лучше всего использовать для соединения толстых кусков металла. Заварка шов охлаждается относительно быстро, но это делает его более хрупким.

Присадочная проволока подается через аппарат, затем включается газ. Продевают ее через катушку агрегата – таким образом, рабочий кусок выходит через наконечник горелки.

Не нужно проталкивать проволоку до конца, пусть она вытянется примерно на 0,64 см за пределы факела. Как только мастер закончит установку проволоки и активирует подачу газа, можно начинать сварку.

Если возникает проблема с продвижением провода через факел, скорее всего, он установлен неправильно. Тогда потребуется открыть резак и отрегулировать положение провода.

Держать факел необходимо под углом 30 градусов над краем стыка. Не имеет значения, с какого конца шва начинать работу. Нужно расположить огонь так, чтобы кончик пламени достигал краев металлических частей. Важно дождаться, пока пламя нагреет материал, образуются шарики жидкого металла в соединении.

Если металл разбрызгивается, значит, мастер не использует достаточно энергии. В этом случае нужно прибавить жара. Но очень важно избегать использовать сильное пламя, иначе сталь будет гореть.

Двигают факел медленно, удерживая его под постоянным углом. Тепло также немного расплавит окружающий металл. Мастер должен убедиться, что соединение заполнено равномерно, прежде чем перемещать факел вперед. Если двигаться слишком быстро, не получится расплавить сталь достаточно хорошо, в этом случае шов будет хрупким и ломким. Сварные швы охлаждаются сразу же.

С помощью полуавтомата

Очень важно во время проведения работ соблюдать технику безопасности. Сначала надевают сварочную маску и защитную одежду.

Для работы используется аргон и углекислота. Для достижения наилучших результатов лучше брать газовую смесь, состоящую из 2% углекислого газа и 98% аргона. Ее можно приобрести в магазинах товаров для дома или в интернете. Использование защитного газа защищает сварной шов и усиливает его.

Перед началом работы обязательно потребуется определить тип стали. Его можно узнать благодаря 3-значному номеру, напечатанному на металле.

Маркировка может находиться на широкой стороне. Если ее нет, тогда можно проверить металл с помощью магнита и настольной шлифовальной машины. Есть специальная тестовая диаграмма, по которой сравнивают тип производимых искр.

Аустенитная сталь более распространена, она состоит из хрома и никеля, поэтому не является магнитной.
Мартенситная сталь используется для деталей, которые должны быть особенно износоустойчивыми. Такой материал магнитен, во время работы образуются длинные, белые искры.
Феррит очень распространен и обычно маркируется как 409 или 439. Высокое содержание углерода делает его магнитным. Во время сварки образуются белые или красные искры.

Очень важно правильно выбрать присадочный металл, который по своим свойствам будет соответствовать основному материалу. Как и куски стали, присадочные металлы продаются с номерными этикетками, используемыми для идентификации их состава.

Чтобы получить лучший сварной шов, нужен такой материал, который аналогичен по составу стали.

Перед сварочными работами поверхность, где будет проходить сварной шов, необходимо очистить с помощью проволочной щетки и ацетона. Удаление окалины, шлака и других примесей с металла помогает добиться лучшего результата. Обязательно нужно надеть перчатки, чтобы подкожный жир не попал на поверхность.

Процесс очистки исключает возможность образования оксидов на обрабатываемом металле, ведь они, в свою очередь, могут ослабить шов. По мере необходимости можно использовать и другие инструменты, к примеру:

наждачную бумагу;
угловую шлифовальную машину;
электропилу;
обычные пилы.

Тип сварного шва, который нужно сделать, зависит от того, как мастер планирует соединить куски металла. Можно использовать нескольких различных видов, чтобы усилить скрепление элементов. Важно учитывать толщину металла – если она небольшая, тогда шов должен быть широкий.

Стыковые соединения образуются при укладке листов друг на друга и при сварке кромок.

В этом случае требуется просто расплавить металл вокруг, чтобы заполнить пространство.

Оборудование и материалы

Чтобы провести работы по аргонодуговой сварке мастеру потребуется предварительно подготовить следующие материалы и оборудование:

присадочная проволока;
прутки;
осциллятор;
сварочный инвертор;
горелка;
электроды;
защитная маска и одежда;
обезжириватель;
баллон с газом;
металлическая щетка.

В зависимости от характеристик, которыми обладают свариваемые изделия, подбирается инвертор. Идеально подойдет прибор, работа которого осуществляется за счет выпрямленного тока.

Когда используется неплавящийся вольфрамовый электрод, обязательно применяется осциллятор. Именно он дает возможность получить необходимую для сварки дугу. Горелку берут только с токопроводящим узлом, в конструкции которой есть форсунка для подачи газа и неплавящийся электрод.

Для работы с коррозийно-стойкими сталями в продаже есть множество подходящего оборудования.

От марки сплавляемых сталей зависит и тип используемой присадочной проволоки. Из защитной одежды потребуется запастись маской, робой, обязательно рукавицами и ботинками.

Подготовка

Начинать работы по аргонной сварке стоит с настройки режимов оборудования, давления газа и зачистки поверхности. Кромка зачищается до тех пор, пока она не приобретет металлический блеск. При использовании марки стали ГОСТ 14771-76 не указано, каким образом должны проводиться подготовительные работы. Отсюда можно сделать вывод, что разрешается использовать как ручной инструмент, так и механизированный.

На втором этапе проводят обезжиривание поверхности. Для этого можно использовать любую подходящую жидкость. Завершающий этап – организация зазора, основная задача которого компенсировать деформацию в будущем.

Технология сварки

Если не соблюдать технологию, то и работа будет низкого качества. При работе требуется обеспечить минимальную дугу. Если делать все правильно, то даже для начинающих сварщиков техника становится понятна и проста.

Электрод лучше располагать как можно ближе к металлу, но не касаться его. Если использовать большую дугу с любой толщиной, то не удастся проплавить детали по всей глубине, в результате получится некачественный шов.

Окисления можно избежать, если контролировать подачу проволоки. Подача не должна быть резкой и находиться в зоне, где есть газ.

Чтобы хорошо заварить конец шва, потребуется уменьшить силу тока. Если оборвать дугу резко, тогда защита металла будет снижена, что опять же скажется на качестве шва. Так можно варить даже пищевой сплав.

Тонкого металла

При работе с листовой сталью перемещать электрод стоит вдоль будущего шва. Запрещено допускать какие-либо поперечные отклонения. Если присадка выйдет из зоны, где находится газ, то качество шва будет в этом месте нарушено.

Увеличить прочность можно путем подачи газа с обратной стороны. Но в этом случае увеличивается и его расход.

Осциллятор позволяет использовать бесконтактный метод сварки. Розжиг в некоторых случаях производится на угольной или графитовой пластине.

Трубы, изготовленные из нержавейки, используют повсеместно. Их соединение производится только с помощью описываемого метода. Технология сваривания похожа на ту, что применяется при работе с тонколистовым металлом.

В данном случае первое, о чем стоит помнить, – газ должен подаваться вокруг рабочей поверхности. Сделать это внутри трубы не так просто.

Для обеспечения необходимого условия сначала труба закрывается пробкой из бумаги или ткани.

Стык заклеивают скотчем, в отверстие другой трубы подают газ, но с небольшим давлением, иначе пробку просто выбьет.

Как только газ полностью заполнит пустое пространство, второе отверстие тоже закрывается. Теперь можно снять скотч и начинать варить шов.

О сварке нержавейки полуавтоматом смотрите далее.

Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединениях необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 1). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 . 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и ?-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 . 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3) Применением технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 2). При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;

4) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок. Снижение его действия достигается ограничением силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги. Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050 . 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750 . 800 °С. При невозможности термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350 . 400 °С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах - после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и создания в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно легируют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кислороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислительную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), выгорает в количестве 70 . 90 %. Легирование швов титаном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флюсов. В металле швов содержание титана должно соответствовать соотношению Ti/C > 5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно соответствовать Nb/C > 10. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.

Газовая сварка обеспечивает большую зону разогрева, значительный перегрев расплавленного металла и замедленное охлаждение. При этом происходит значительный угар легирующих элементов. Она наименее благоприятна для сварки этих особенно кислотостойких сталей, в которых может развиваться значительная межкристаллитная коррозия. Газовая сварка может использоваться для сварки жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1 . 2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем с мощностью пламени 70 . 75 л/ч на 1 мм толщины. Процесс следует вести с возможно большей скоростью левым способом, мундштук держать под углом 45° к поверхности. В сварных соединениях образуются большие коробления.

Ручная дуговая сварка это высокоманевренный способ. При сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют достаточно широкий допуск по химическому составу. Различие типов сварных соединений, пространственного положения сварки и т.п. способствует изменению глубины проплавления основного металла, а также изменению химического состава металла шва. Все это заставляет корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения, таким образом, образования в шве горячих трещин. Этим же достигаются и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов.

Применением электродов с фтористокальциевым покрытием, уменьшающим угар легирующих элементов, достигается получение металла шва с необходимым химическим составом и структурами. Уменьшению угара легирующих элементов способствует и поддержание короткой дуги без поперечных колебаний электрода. Это снижает вероятность появления дефектов на поверхности основного металла в результате попадания на него брызг.

Тип покрытия электрода диктует необходимость применения постоянного тока обратной полярности (при переменном или постоянном токе прямой полярности дуга неустойчива). Тщательная прокалка электродов, режим которой определяется их маркой, способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин. Некоторые данные о режимах и выборе электродов для ручной дуговой сварки приведены в табл. 1 и 2, а о свойствах сварных соединений - в табл. 3 и на рис. 3.

Табл. 1 Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки аустенитных сталей

Технология сварки разнородных сталей

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

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

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

Класс сталей и сварочных материалов

Характеристика сталей

Марки (примеры)

Перлитные и бейнитные

09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА

30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ

Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)

12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169

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

12 %-ные хромистые, жаростойкие

08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2

12 %-ные хромистые, жаропрочные

Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе

Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные

Жаропрочные никелевые сплавы

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

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

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

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

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

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

- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;

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

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

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

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

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

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

Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)

Композиция наплавленного металла

Предельная температура эксплуатации, °С

Термическая обработка

VI – VIII + XI – XIII

При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 . 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 % Ni и 15 % Мо.

Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 . 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 . 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.

При недостаточности или неприемлемости указанных технологических вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламентированным количеством ?-Fe (2 . 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI . XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 . 27 %) и никеля (12 . 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.

При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.

Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.

Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористо-кальциевой основе.

Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.

Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными

Читайте также: