Электроды для сварки аустенитных сталей
Обновлено: 21.05.2024
Сварка аустенитных сталей признается достаточно сложным, но при этом вполне выполнимым процессом, который имеет немалое количество нюансов. Их следует учитывать тогда, когда планируется сваривать конструкции из подобных сплавов.
1 Немного информации об аустенитных сплавах
Аустенитные стали – это композиции на железной основе с большим объемом легирующих добавок, ключевыми из коих являются хром и никель. Общий объем всех легирующих элементов в таких сплавах может равняться 65 процентам. Композиции аустенитного класса активно эксплуатируются в разных сферах машиностроения, включая энергетическое и химическое, так как изделия из них могут эффективно функционировать при разных показателях температуры.
Различают высоколегированные, жаропрочные, коррозионностойкие и жаростойкие композиции. Все они обладают различными свойствами, что и обуславливает их служебное назначение.
Например, жаропрочные стали, улучшаемые вольфрамом и молибденом, способны долгое время противостоять высоким температурным нагрузкам. Конструкции из коррозионностойких сплавов не боятся вредного влияния агрессивных сред, а жаростойкие сохраняют свою химическую структуру при температурах до +1150 градусов.
После грамотно проведенной термообработки описываемые сплавы обретают уникальные пластические и прочностные характеристики. Так, после закалки по уровню пластичности они превосходят обычные углеродистые стали в несколько раз. В целом стоит отметить, что именно режимы термической обработки оказывают огромное влияние на структуру аустенитной стали (такое же, как и их химический состав).
По системе легирования интересующие нас композиции подразделяют на два больших класса: хромомарганцевые и хромоникелевые. Кроме того, отдельно выделяют хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые составы.
2 Описание особенностей сварки
Такие стали сваривать достаточно сложно, так как они имеют явно выраженную склонность к формированию в околошовной области и непосредственно в сварном шве горячих трещин и микронадрывов. Указанные дефекты появляются из-за возникновения в сплаве крупнозернистой макроструктуры (другими словами, они имеют межкристаллитный характер).
Металл сварных соединений, когда речь идет об аустенитных композициях, характеризуется особой формой кристаллизации (ее называют ячеисто-дендритной), которая становится причиной появления легкоплавких фаз и очень крупных кристаллов столбчатого типа. Увеличить стойкость швов можно при помощи специальных технологий, дающих возможность устранить указанную структуру металла. Суть таких методик обычно заключается в измельчении кристаллов, а также в уменьшении количества серы и фосфора в металле.
Очень часто с горячими трещинами борются при помощи снижения уровня проплавления металла и посредством использования материалов для сварки, которые производятся из сталей электрошлакового переплава либо вакуумной выплавки. Иногда существенно снизить опасность образования трещин можно увеличением ликвирующих добавок (например, бора) до таких показателей, которые позволяют получить на кристаллитах обильную эвтектику.
Если же указанные методики не подходят, используется универсальный способ предупреждения трещин, который предполагает модификацию кристаллизационной схемы сварных швов, приводящий к увеличению степени растворимости ликвирующих добавок в первичном феррите, присутствующем в них. При изменении схемы отмечается дезориентация и измельчение структуры феррита и кристаллов аустенита, что значительно снижает активность появления трещин. Процесс модификации швов выполняется посредством добавки таких легирующих компонентов, как молибден, хром, алюминий или кремний.
3 Тонкости сварки жаропрочных сплавов аустенитного класса
Сварные соединения таких сталей должны на протяжении долгого времени эксплуатации при высоких температурах не изменять своих механических (весьма, заметим, высоких) возможностей. Выполнить данное условие непросто из-за того, что в металле шва при быстром его охлаждении после сварки наблюдается закрепление неравновесных структур. Они уменьшают пластические характеристики сварного соединения уже при температуре около +350 °С (так как происходят бурные диффузионные процессы).
Кроме того, при температурах от +500 до +650 °С отмечается формирование α-фазы и в то же самое время выпадение карбидов, от +350 до +500 °С (при выполнении операции термического старения) – образование хрупкости. Очень хрупким металл становится и при выдержке, производимой при температуре около 800 °С (она приводит и к уменьшению прочности соединения). С целью минимизации указанных негативных явлений в жаропрочных сплавах пытаются уменьшить содержание углерода (в металле шва и в основном металле).
В жаропрочных сталях нередко образовываются и трещины в околошовной области, вызываемые понижением прочностных и пластических показателей основного металла во время его термической обработки. Подобные дефекты обусловлены тем, что кислород и углерод в больших количествах, будучи поверхностно-активными элементами, способны стать причиной возникновения эвтектик легкоплавкого типа. А при продолжительной работе конструкций, сделанных из жаропрочных сталей, в области сварного шва нередко появляются интерметаллиды и карбиды (мелкодисперсные), которые делают соединение хрупким.
Все эти проблемы решаются наплавкой специального металлического слоя с двухфазной структурой, которая не имеет ничего общего с основным металлом. Но при эксплуатации сварных конструкций дополнительный слой упрочняется, что через некоторое время снова приводит к образованию деформированного участка и все тех же трещин. Избавиться от них можно высокотемпературной (порядка 1100 градусов) аустенизацией и следующим за ней самонаклепом либо стабилизирующим отжигом. Последний осуществляется при температуре не менее 750 градусов.
4 Электрошлаковая сварка аустенитных сплавов
Данный вид сварки сводит к минимуму вероятность появления горячих трещин, что обусловлено технологией ее выполнения. Электрошлаковый процесс характеризуется:
- отсутствием значимых угловых деформаций в стыковых зонах;
- небольшой скоростью передвижения нагревательного оборудования;
- "мягкой" кристаллизацией ванны.
При этом высокие рабочие температуры (от 1200 °С) с течением времени приводят к околошовным (по своей сути локальным) разрушениям металла шва. Если же электрошлаковой сварке подвергаются сплавы с высокой коррозионной стойкостью, в соединении нередко формируется так называемая ножевая коррозия, нивелировать которую можно при помощи стабилизирующего отжига и закалки металла.
Выполняется описываемый вид сварки электродами пластинчатой формы (их толщина находится в пределах 6–20 миллиметров) либо трехмиллиметровой проволокой. Пластинчатые стержни рекомендуется применять для деталей, имеющих малые по длине сварные швы, но большую толщину.
Проволока дает возможность изменять процесс кристаллизации соединения и форму сварной ванны, за счет чего риск появления трещин значительно снижается. Но производство проволоки требует больших финансовых и трудовых затрат, чем изготовление пластинчатых стержней. Кроме того, ее жесткость уменьшает надежность функционирования подающих и токоподводящих механизмов оборудования, используемого для сварки.
Флюсы для электрошлакового процесса:
При работе с жаропрочными композициями допускается применять и безокислительные фторидные флюсы, но их использование в некоторых случаях требует обдува шлаковой ванны (ее верхних слоев) струей аргона.
5 Ручная дуговая сварка
Этот процесс проводится таким образом, чтобы заданный химсостав шовного металла оставался неизменным при любых пространственных положениях и вариантах соединений. При этом во внимание обязательно принимается объем наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя.
Добиться соблюдения данных условий можно посредством изменения состава покрытия применяемых электродов. Покрытие подбирают так, чтобы в шве не было трещин горячего типа, и присутствовал (в требуемых количествах) первичный феррит. Чаще всего, используются фтористокальциевые стержни. Ими не совершают поперечные колебания (а также в процессе сварки поддерживают короткую дугу), что снижает опасность появления изъянов, обусловленных прилипанием брызг.
Специалисты рекомендуют осуществлять ручную сварку ниточными швами при помощи электродов сечением три миллиметра. Желательно, кроме всего прочего, на протяжении 60–90 минут перед началом процесса прокаливать сварочные стержни при температуре от 250 до 400 градусов. Подобная предварительная их подготовка исключает вероятность формирования пор в получаемом соединении.
Покрытые стержни эксплуатируют при электродуговой сварке на обратнополярном постоянном токе. Показатель его силы, как правило, выбирают по отношению к сечению сварочного электрода на 15–30 А/мм выше. На максимальном токе выполняют работы в нижнем положении. А в вертикальном и потолочном положениях нужно использовать меньшую (на 10–30 процентов) силу тока.
6 Сварка в атмосфере защитных газов
Методика позволяет сваривать изделия разной толщины – от десятых частей до нескольких десятков миллиметров, применяя активные и инертные газы, а также их смеси. За счет такого разнообразия защитной среды сварщик имеет возможность подбирать условия ввода в металл требуемого количества тепла и изменять эффективность электродуги, расширяя тем самым технологический потенциал сварочной операции.
Сварка в защитной газовой атмосфере может производиться в любых пространственных положениях. По этой причине она очень часто используется вместо дугового процесса, особенно в тех случаях, когда защитная среда создается инертным гелием либо аргоном. В данной ситуации сварку ведут плавящимися либо вольфрамовыми стержнями. Они идеальны для соединения изделий 5–7 миллиметров толщиной (например, тонкостенных труб) и сваривания корневых швов.
Сварка в защитных газах осуществляется импульсной или горящей дугой. Рациональнее использовать первый вид дуги, так как он снижает проявления коробления кромок, которые подвергаются свариванию, а также снижает длину околошовного участка, гарантируя при этом качественное создание шва на небольшой по толщине конструкции.
Вольфрамовые стержни для сварки аустенитных сплавов эксплуатируют без присадочного материала либо с таковым. Выбор конкретного способа зависит от конструкции и толщины сварного соединения. Сварка проводится на токе (постоянном), имеющем прямую полярность, в автоматическом режиме либо вручную (тогда нужно применять горелки специального вида). Отметим, что автоматическая сварка аустенитных композиций с большим объемом алюминия ведется на переменном токе.
В смеси газов и в активных газах обычно используют плавящиеся сварочные стержни. Они, впрочем, подходят и для выполнения операции в инертных средах. Последние, в частности, рекомендуют для соединения изделий из высоколегированных сплавов, в составе коих имеется титан, алюминий и иные компоненты, считающиеся легкоокисляемыми.
Плавящиеся электроды обеспечивают высокое качество процесса при импульсно-дуговой сварке, выполняемой в смеси углекислого газа, кислорода и аргона, а также в чистом аргоне. Данным способом, как правило, соединяют конструкции малой толщины. Импульсно-дуговая операция в инертной среде обеспечивает минимальную вероятность образования трещин.
Плазменной сваркой в защитной атмосфере чаще всего соединяют стали толщиной не более 12 миллиметров. Использовать плазму для сварки более массивных деталей нет смысла, так как в сварных швах формируются подрезы, снижающие качество операции.
Проволоки Св-06Х20Н11МЗТБ, 08Х25Н13БТЮ, 08Х20Н9С2БТЮ, 06Х19Н10МЗТ, 07Х18Н9ТЮ для сварки аустенитных сплавов с большим уровнем легирования создаются с учетом того, что они обязаны обеспечивать необходимые механические показатели и высокую стойкость против ржавления. В связи с этими требованиями в проволоках имеется высокое содержание хрома, ниобия, алюминия, титана и кремния.
7 Все нюансы сваривания аустенитных сталей под флюсом
Нефтехимические и химические предприятия для соединения элементов разнообразного специального оборудования из аустенитных сплавов чаще всего используют именно сварку под флюсом. Она гарантирует неизменность характеристик металла и его состава по всей протяженности сварного соединения. При этом указанное постоянство свойств наблюдается и при сварке с разделкой кромок, и при операции без разделки.
Указанное достоинство сварки под флюсом позволяет получать любые по длине швы без появления в них кратеров и обеспечивает следующие преимущества:
- потери на огарки и угар существенно снижаются (до 10–20 процентов);
- поверхность соединения формируется без каких-либо затруднений;
- допускается соединение стальных изделий толщиной до 4 сантиметров без потребности в разделке кромок (при этом обеспечивается высокий зазор);
- снижается трудоемкость мероприятий подготовительного плана, так как на заготовках более 12 мм толщиной не нужно разделывать кромки;
- увеличивается стойкость металла к ржавлению, обусловленная малой чешуйчатостью сварных соединений;
- отличная защита сварочной области от процессов окисления.
Легирование соединительного шва осуществляется через сварочную проволоку либо флюс. Более качественную стабильность структуры шва обеспечивает проволока, которая изготавливается по Государственному стандарту 2246. В качестве флюсов применяются составы без фтора (высокоосновные), а также фторидные композиции с низким содержанием кремния. Именно такие флюсы (АНФ-14, АН-26 и другие) обеспечивают малый угар компонентов, вводимых в сталь с целью легирования, и формируют слабо- или вовсе безокислительные среды.
Если сварка осуществляется под бесфтористыми флюсующими составами, процесс ведется на прямом по полярности токе, под фтористыми – на обратном. В обоих случаях при этом применяется постоянный ток. По сравнению со сваркой углеродистых сталей силу тока для выполнения сварки аустенитных композиций берут на 10–30 процентов меньшую (при условии, что нужно получить аналогичный уровень проплавления металла).
Обратите внимание! Флюсы, которые применяются для соединения изделий из высоколегированных сталей, перед сваркой всегда прокаливают. Температура данной операции – от 500 до 900 градусов, продолжительность – не менее 60 и не более 120 минут. Если все советы по сварке проволоками с высокой степенью легирования под флюсом будут учтены, сварной шов стопроцентно получит заданные характеристики.
Электроды для сварки жаропрочных аустенитных сталей.
Стойкость чисто аустенитного наплавленного металла против образования горячих трещин обеспечивается, как выше говорилось, легированием за счет значительного количества молибдена марганца – от пяти до семи процентов - а также за счет повышенной чистоты сварочной проволоки по вредным примесям, включая рафинирование различными способами переплава.
Непригодность сварочных электродов с высоким содержанием никеля для сварки сталей, имеющих в своем составе ниобий, обусловлена тем, что при легировании чисто аустенитного металла шва ниобием, резко снижает его стойкость против образования горячих трещин, в то время как в двухфазном металле шва ниобий повышает эту стойкость.
При большом количестве образующейся эвтектики происходит «залечивание» трещин легкоплавкой эвтектикой. Наблюдается это при комплексном легировании чисто аустенитного металла ниобием и кремнием при соотношении Nb : Si = 4:1 и при содержании в шве ниобия до трех-четырех процентов.
К третьей группе относятся сварочные электроды типов Э-11Х15Н25М6АГ2 (электроды ЭА-395/9, НИАТ-5), Э-09Х15Н25М6АГ2Ф (электроды ЭА-981/15).
Однопроходные швы, корневые и облицовочные валики при сварке аустенитных сталей с высоким содержанием никеля (до 35%) и молибдена менее 5% (не имеющих в своем составе ниобия) следует выполнять электродами марок ЭА-395/9, НИАТ-5, дополнительно легированных молибденом через покрытие.
Металл, наплавленный электродами сварочными третьей группы, имеет большой запас аустенитности, поэтому эти электроды используются для сварки аустенитных сталей, работающих в условиях глубокого холода (до -196 о С), а также для сварки перлитных конструкционных сталей с аустенитными.
При наличии в конструкции контакта швов с агрессивной средой следует верхний слой наплавлять сварочными электродами типа Э-07Х19Н11М3 электроды ЭА-400/10У, ЭА-400/10Т и другими, обеспечивающими металл, стойкий против межкристаллитной коррозии в исходном состоянии после сварки, и не содержащими ниобий, что исключает возможность образования горячих трещин в перемешанном слое сварного шва.
Необходимо учитывать, что жаропрочность сварных соединений существенно может отличаться от жаропрочности основного и наплавленного металлов, испытанных раздельно.
Это обусловлено склонностью сварных соединений к локальным разрушениям в околошовной зоне.
Поэтому выбор электродов по принципу равной либо близкой жаропрочности шва и основного металла оправдывается только для кратковременных ресурсов работы сварных соединений.
Для длительных ресурсов работы предпочтительнее выбирать электроды, обеспечивающие металл шва с повышенной длительной пластичностью типа Э-08Х16Н8М2 и другие.
Технологические характеристики электродов, химический состав и механические свойства металла, наплавленного высоколегированными электродами различных типов предназначенных для сварки жаропрочных хромоникелевых сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах.
Электроды для сварки хромоникелевых аустенитных сталей
Определено, что технологическая прочность однофазного аустенитного металла обеспечивается при содержании в нем молибдена или марганца не менее шести семи процентов.
На снижении стойкости к образованию горячих трещин однофазного чисто аустенитного металла сварочного шва большое влияние оказывает повышение содержания в нем кремния, что объясняется образованием тонкой силикатной пленки по границам зерен аустенита, либо сегрегацией растворенных элементов по дислокациям, либо образованием легкоплавкой малопрочной эвтектики.
Именно поэтому однофазные чисто аустенитные сварочные электроды должны иметь покрытия, обеспечивающие основные малоокислительные шлаки, исключающие возможность кремневосстановительного процесса по реакции. Этим условиям отвечают электроды марок ЭА-395/9, НИАТ-5, ЭА-981/15 и др.
Производственный опыт показал, что кремний оказывает отрицательное влияние на стойкость против образования горячих трещин не только однофазных аустенитных швов, но и на свариваемость ряда аустенитных сталей.
При аргонодуговой сварки стали 12Х18Н10Т, когда влияние качества покрытия сварочных электродов либо флюсов исключительно, наблюдалось образование горячих трещин в зависимости от содержания в стали углерода и кремния.
При соотношении Si / C ≤ 5 металл обладал удовлетворительной свариваемостью, а при Si / C > 5 наблюдалось образование горячих трещин, что объясняется авторами образованием легкоплавкой эвтектики в междендритных пространствах.
Поэтому одним из способов повышения качества сварных соединений хромоникелевых аустенитных сталей является оптимизация их химического состава.
Для всех хромоникелевых аустенитных сталей первой основной проблемой свариваемости является предотвращение образования горячих трещин в швах и околошовной зоне.
При сварке применяются два следующих способа борьбы с образованием горячих трещин:
1)Снижение влияния силовых факторов – уменьшение напряжений, создаваемых при сварке, путем применения оптимальных режимов, рациональной последовательности наложения швов (обратно-ступенчатым способом, вразброс, каскадом, и др.), обеспечением возможности максимально свободной усадки сварочных швов, подогревом и т.п.
2)Металлургическими средствами воздействия на металл – создание в шве двухфазной аустенито-ферритной либо аустенито-карбидной структуры, или легированием стабильно аустенитного (с большим запасом аустенитности) металла швов и наплавленного металла значительным количеством горофильных элементов – марганцем либо молибденом.
Выбор электродов сварочных для хромоникелевых аустенитных сталей определяется, в первую очередь, соотношением содержания никеля и хрома в стали.
В зависимости от этого соотношения все хромоникелевые аустенитные стали разделяются на две основные категории:
Первая : однофазные, стабильноаустенитные, у которых отношение Cr / Ni < 1.
Для сварки этих сталей должны применяться сварочные электроды, обеспечивающие наплавленный металл с однофазной аустенитной структурой (типа Э-11Х15Н25М6АГ2 и др.) либо с двухфазной аустенито-карбидной структурой (типа Э-27Х15Н35В3Г2Б и др.);
Вторая : двухфазные аустенито-ферритные, у которых отношение Cr / Ni > 1. Для сварки этих сталей должны применяться сварочные электроды, обеспечивающие наплавленный металл также с двухфазной аустенито-ферритной структурой.
Выбор конкретного типа двухфазных электродов, в которых допускается различное содержание ферритной фазы, производится в зависимости от основных требований, предъявляемых к свариваемой конструкции (коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и др.).
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: