Особенности сварки среднелегированных сталей

Обновлено: 18.05.2024

В зависимости от химического состава сталь бывает углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь делится на:

низкоуглеродистую (содержание углерода до 0,25%)
среднеуглеродистую (содержание углерода от 0,25 до 0,6%)
высокоуглеродистую (содержание углерода от 0,6 до 2,0%).

Сталь, в составе которой кроме углерода имеются легирующие компоненты (хром, никель, вольфрам, ванадий и т. д.), называется легированной. Легированные стали бывают:

низколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, менее 2,5%)
среднелегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, от 2,5 до 10%)
высоколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, более 10%).

Технология сварки легированных сталей

Сварка низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

Свариваемость таких сталей зависит от содержания углерода и легирующих компонентов и ухудшается с ростом содержания углерда и легирующих компонентов. Стали кремнемарганцевой группы 15ГС, 18Г2С и 25Г2С сваривают электродами типа Э60А марки УОНИ-13/65. Перед сваркой кромки тщательно зачищают от грязи, ржавчины и окалины.

Сварку выполняют предельно короткой дугой. Изделие перед сваркой подогревают до температуры 200 С, электроды перед сваркой прокаливают при 400°С в течение одного часа.

Кремнемарганцемедистые стали 10Г2СД, 10ХГСНД, 15ХСНД и 12ХГ сваривают электродами типа Э50А марки УОНИ-13/55. Изделие перед сваркой не подогревают.
Сварка низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

Особенности сварки высоколегированных сталей

К высоколегированным относят стали, суммарный состав легирующих элементов в которых составляет не менее 10%, при содержании одного из них не менее 8%. При этом содержание железа должно составлять не менее 45%. В основном это стали, обладающие повышенной коррозионной стойкостью или жаростойкостью. Легирование сталей выполняют углеродом, марганцем, кремнием, молибденом, алюминием, ванадием, вольфрамом, титаном и ниобием, бором, медью, серой и фосфором. Введение легирующих элементов меняет физические и химические особенности стали.

Так, углерод способствует повышению прочности стали и снижению ее пластичности. Окисление углерода в процессе сварки способствует появлению пор. Кремний является раскислителем и содержание его в стали более 1% приводит к снижению свариваемости. Хром также снижает свариваемость, способствуя созданию тугоплавких окислов. Никель повышает прочность и пластичность сварочного шва, не снижая свариваемость стали. Молибден увеличивает прочность и ударную вязкость стали, ухудшая свариваемость. Ванадий в процессе сварочных работ сильно окисляется, поэтому его содержание в стали предусматривает введение раскислителей. Вольфрам тоже сильно окисляется при повышенных температурах, ухудшает свариваемость стали.

Титан и ниобий предотвращают межкристаллитную коррозию. Бор повышает прочность, но затрудняет свариваемость. Медь повышает прочность, ударную вязкость и коррозийную стойкость стали, но снижает ее свариваемость. Повышенное содержание в стали серы приводит к образованию горячих трещин, а фосфор способствует образованию холодных трещин.

Содержание тех или иных легирующих элементов определяют по маркировке стали. Первые две цифры в маркировке означают содержание углерода в сотых долях процента; легирующие элементы обозначают буквенными символами, а стоящие за ними цифры указывают на примерное содержание этих элементов, при этом единицу и меньше не ставят. Символ «А», установленный в конце маркировки, указывает, что сталь высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора. Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромоникелевые стали (12Х18Н10Т, 10Х23Н18 и некоторые другие).

Из вышесказанного видно, что, как правило, легирование стали приводит к снижению ее свариваемости, а первостепенную роль при этом играет углерод. Поэтому доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. Повышенное содержание углерода и легирующих элементов способствует увеличению склонности стали к резкой закалке в пределах термического цикла, происходящего во время сварки. В результате этого околошовная зона оказывается резко закаленной и теряет свою пластичность.

Поэтому при сварочных процессах высоколегированных сталей, происходящих в зоне плавления металла и околошовной области, возникают горячие трещины и межкристаллитная коррозия, проявляющаяся в процессе эксплуатации. Основной причиной появления трещин является образование крупнозернистой структуры в процессе кристаллизации и значительные остаточные напряжения, полученные при затвердевании металла. Легирование влияет на вязкость металла и коэффициент поверхностного натяжения, поэтому у большинства высоколегированных сталей сварочный шов формируется хуже, чем у низколегированных и даже углеродистых сталей.

Межкристаллитная коррозия характерна для всех видов высоколегированных сталей, имеющих высокое содержание хрома. Под действием нагрева образовавшиеся карбиды хрома выпадают по границам зерен, снижая их антикоррозийные свойства.

Препятствует образованию карбидов хрома легирование стали титаном, ниобием, танталом, цирконием и ванадием. Положительное влияние на качество сварочного шва оказывает дополнительное легирование сварочной проволоки хромом, кремнием, алюминием, ванадием, молибденом и бором.

Для сварки высоколегированных сталей используют как ручную дуговую , так механизированную сварку под флюсом и в среде защитных газов . Сварка выполняется при минимальном тепловложении с использованием термообработки и применением дополнительного охлаждения. Введение легирующих элементов меняет и технологические особенности стали. Так, система легирования снижает теплопроводность стали и повышает ее электрическое сопротивление. Это оказывает влияние на скорость и глубину плавления металла, что требует меньшего вложения энергии, и увеличения скорости подачи сварочной проволоки.

Ручную дуговую сварку высоколегированных сталей выполняют при пониженных тока обратной полярности. Сварку ведут короткой дугой ниточными валиками без поперечных колебаний.

Проволока, применяемая для изготовления электродов, должна соответствовать марке стали с учетом ее свариваемости. Защитное покрытие электродов должно иметь состав, снижающий отрицательное действие повышенной температуры. К примеру, для сварки кислотостойкой стали 12X18HI0T электроды типа Э-04Х20Н9 (марки ЦЛ-11) препятствуют образования горячих трещин и межкристаллитной коррозии. Предварительный и сопутствующий подогрев снижает опасность возникновения трещин. Для защиты сварочной ванны используют инертный газ или аргон и его смеси с гелием, кислородом и углекислым газом.

Сварку в среде углекислого газа можно выполнять только в случаях, когда отсутствует опасность возникновения межкристаллитной коррозии. Сварка плавящимся электродом выполняется при значениях тока, обеспечивающих струйный перенос электродного металла.

При сварке возникает опасность коробления и остаточных сварочных напряжений. Поэтому после сварки часто возникает необходимость в термообработке.

Высокопрочные стали и особенности их сварки

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

Закаленные стали (структура)

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

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

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

Свариваемость высокопрочных сплавов

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

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

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

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

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

Технология сварочных работ по соединению высокопрочных сталей

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

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

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

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

Для улучшения свариваемости закаленных металлов необходимы специальные электроды

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

Сварочные работы в защитных газах

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

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

Современная аргоновая горелка

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

Сварка под флюсом

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

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

Электрошлаковая сварка

Схема процесса сварочных работ

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

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

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.

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

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

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

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

По своим свойствам различают два основных вида высоколегированных сталей:

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

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

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

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

Особенности сварки

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

Для предотвращения трещин и других дефектов сварного шва рекомендуется:

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

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

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

Технология ручной дуговой сварки

Подготовка к сварке:

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

Оборудование

При выполнении ручной электродуговой сварки используется следующее оборудование:

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

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

Примерная стоимость инверторных источников тока на Яндекс.маркет

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

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

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

Процесс сварки

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

Выполнение этого требования достигается за счет:

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

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

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

Особенности сварки среднелегированных сталей

Для сваривания среднелегированных сталей используется широкая номенклатура профильного оборудования, от премиальных сварочных аппаратов EWM до вполне бюджетных Сварогов или Барсов. В сварочной проблематике их применения по стальным изделиям со средним содержанием легирующих добавок (до 5 % от общей массы сплава) превалирует технологический характер процесса. Важно, подвергается ли сварное соединение термообработке после сварки или можно обойтись без такой операции. Соответственно, и специфика работы аппаратов, и возможность купить по доступным ценам сварочное оборудование здесь, и техническая сложность создания швов, и финансовая стоимость работ зависят от этой технологической составляющей.

Наплавляемый металл обладает аустенитной структурой, его прочность не превышает 50-55 кГ/мм 2 .
Шов соответствует перлитной стали (в ряде случаев с незначительным поверхностным выделением феррита). Прочностные характеристики сварки выше, чем для аустенитных швов по среднелегированной стали, и лежат в пределах 70…75 кГ/мм 2 .

К сожалению, сварка большинства среднелегированных сплавов без термообработки затруднена сложностями получения равной (или как минимум сравнимой) прочности у швов и основного металла. Проблема не устраняется на аппаратном уровне, использование сварочного аппарата EWM вместо бюджетного оборудования росту равнопрочности почти не способствует. При собственной прочности заготовки свыше 75 кГ/мм 2 такая проблема приводит к критичному разупрочнению ЗТВ. Поэтому ответственные конструктивные детали с невозможностью последующей термообработки рекомендуется сваривать швами аустенитного вида (см. п. 1 выше). Недостаток прочностных качеств компенсируется большим сечением швов. Такие швы, хоть и характеризуются значительным химическим отличием от основного металла, достаточно пластичны и обладают приемлемой вязкостью. Набор таких достоинств придает аустенитным структурам высокую деформационную способность и стойкость к холодному растрескиванию – основополагающим дефектам при создании ответственных конструкций, узлов и деталей машин.

Сварка среднелегированных сталей с термообработкой швов
При технологической и конструктивной возможности термообработки эта операция является весьма желательной для улучшения эксплуатационной долговечности стальных стыков и изделий в целом. Термообработка т.н. «полного цикла» - т.е. закалка с медленным отпуском при высокой температуре – позволяет получить практически неотличимую физико-химическую идентичность шовного и основного металлов. Проблема в том, что «полный цикл» возможен не всегда, а лишь при исходной близости атомарного состава наплава и кромок. А при сваривании насыщенной легирующими элементами стальной детали такая «послесварочная близость» скорее исключение, чем правило.

При выборе режимов термической закалки и отпуска ориентироваться приходится на свойства основного металла, изменяя базовые параметры с учетом разнородности наплава. Например, снижение концентрации кремния и углерода приводит к стойкости наплавленных структур относительно появления в них горячих и холодных трещин. Даже используя по доступным ценам сварочное оборудование, минимизировать Si и C в ЗТВ среднелегированных сталей вполне возможно. Когда наплав содержит меньше кремния и углерода, чем основной свариваемый сплав, его закалка эффективна при большей длительности и/или температуре, что улучшает структурную однородность прилегающей к ЗТВ области кромок.

Для равновесного физико-химического состава тонких и средних швов и в качестве меры по устранению остаточных напряжений может применяться только отпуск сваренных деталей, без предварительной закалки. Следует учитывать, что перекристаллизации наплава отпуск не обеспечивает. Крупную зернистость шва и околошовного металла, столбчатую структуру кристаллизованного металла такой термической обработкой устранить нельзя. Тем не менее, повышение вязкости и пластичности в обрабатываемых деталях позволяет «автономному» отпуску быть востребованным технологическим приемом.

При послесварочной термообработке среднелегированных стальных деталей огромное значение имеет своевременность этой операции (комплекса операций). Так как главной проблемой долгосрочного качества подобных изделий является возникновение холодных трещин, закалка и/или отпуск должны начинаться до первых признаков растрескивания. Период, график, скорость и прочие характеристики термообработки зависят от типа сварного соединения, его конструктивных особенностей, точного состава стали и наплава и т.д.

Читайте также: